Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

В предыдущей статье я писала, что такое экстремальная электроника. Теперь расскажу об одной из ее технологий - кремнии на изоляторе.

Обычно КМОП логику располагают на монолитных пластинах из кремния.

В случае КНИ каждый прибор представляет собой островок кремния, находящийся на изолирующей подложке.

Зачем оно надо? Изначально - для устойчивости к ионизирующим излучениям - радиационному и тепловому.

В полупроводниках при воздействии излучения начинает усиливаться генерация свободных носителей - электронов и дырок.

В случае использования в качестве подложки объемного кремния электрон достаточно быстро утекает в нее под действием внутренних полей. Нескомпенсированные дырки остаются на границе Si/SiO2 и образуют положительный заряд под затвором. Это, естессна, влияет на работу транзистора не самым лучшим образом.

При использовании изолирующей подложки электронам перетекать некуда, они компенсируют дырки. Под затвором лишних зарядов не возникает, транзистор работает нормально.

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

Кроме высокой стойкости к излучениям, использование технологии КНИ дает уменьшение рассеяния мощности и повышение скорости работы (максимально возможные частоты переключения транзисторов достигают 200 ГГц...

Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.

неплохо).

Посмотрим, за счет чего получается выигрыш:

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

У КМОП логики на кремнии всегда есть емкости между элементами.

Они ограничивают частотные характеристики приборов и ухудшают их энергоэффективность. При переключении емкость затвора нужно зарядить или разрядить, на это уходит время и энергия.

У КНИ паразитные ёмкости между элементами значительно меньше, что и дает выигрыш в скорости и TDP.

Еще один плюс КНИ - возможность работать на меньших напряжениях, чем "обычная" КМОП логика, например, на 1.2 В. Это также снижает потери на переключение.

Еще приборы из КНИ могут иметь большую степень интеграции.

В приборах на основе объемного кремния может возникать тиристорный эффект, в результате которого возникает ток через подложку и поверхностный слой кремния между соседними транзисторами. Это может привести к защелкиванию при воздействии переходных процессов и высоких уровнях напряжения.

В приборах на основе КНИ данный эффект отсутствует. Приборы изолированы друг от друга, и между ними нет паразитных токов.

Одной из разновидностей КНИ является технология кремния на сапфире (КНС).

У сапфировой подложки в качестве диэлектрика есть много преимуществ: высокая твердость, отличные изолирующие свойства и высокая теплопроводность, а также прозрачность в ультрафиолетовом диапазоне (что дает возможность использования в оптоэлектронике).

Сейчас более распространены изоляционные подложки из диоксида кремния, потому что они дешевле и проще в производстве.

У КНИ есть очень существенный недостаток, ограничивающий распространение этой технологии:

Сложность технологических процессов изготовления, приводящая к высокой стоимости.

Из-за различий коэффициентов теплового расширения кремния и изолятора, на их границе даже при комнатной температуре присутствует деформация сжатия и проявляются многочисленные дефекты, что еще больше удорожает процесс производства, так как получается больше дефектных пластин.

Напоследок рассмотрим области применения КНИ:

1) Радио- и мобильная связь: благодаря прекрасным частотным характеристикам применяется в современных устройствах связи, работающих на высоких частотах. Именно по этой технологии изготовляются чипы под стандарты 4G и 5G.

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

2) Космическая электроника: приборы из КНИ отлично переносят радиацию, поэтому именно они чаще всего бороздят просторы Большого театра вселенной.

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

3) Процессоры и микроконтроллеры:

С 2000 по 2008 с КНИ активно игрались IBM и AMD.

IBM "делала" процессоры с архитектурой PowerPC для Sony, Microsoft и Nintendo - в тогдашнем поколении игровых приставок (Playstation 3, XBOX360 и Wii) стояли процессоры Cell, Xenon и Broadway, созданные по технологии КНИ.

AMD выпускала процессоры Opteron, ориентированные в основном на серверы (кстати, это были первые процы архитектуры x86-64 (AMD64)).

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе
Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе
Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

Мучались IBM и AMD, мучались, а процессоры в персональных компутерах, приставках и серверах вернулись на объемный кремний...

Сейчас производители решили делать ставку не на скорость работы процессоров, а низкое энергопотребление. SRAM, построенная по технологии КНИ, опять же выигрывает по соотношению скорости и потребления энергии.

Поэтому КНИ хорошо подходит для устройств, работающих от батарей или аккумуляторов, и находит применение в IoT и встроенных системах.

3) Промышленные датчики: КНИ до лампочки высокие температуры, сильное радиационное и электромагнитное излучение и химическое воздействие. Так что датчики, сделанные по этой технологии, можно совать хоть в котел, хоть в нефтяную скважину на дне моря.

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

4) Фотоника: КНС используют для передачи данных по волоконно-оптическим кабелям с большими скоростями.

Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе

5) Силовая электроника: КНИ имеет хорошую изоляцию (какой каламбур, хаха), что делает эту технологию удобной для изготовления драйверов транзисторов.

О техпроцессах изготовления КНИ могу рассказать в следующий раз, а тем, кто дожил до конца статьи, спасибо за терпение :)

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе.

Написать комментарий