В первой части цикла мы разобрались с понятием экстремальной электроники. Теперь давайте углубимся в одну из её ключевых технологий — кремний на изоляторе (КНИ).
Что такое КНИ и чем он отличается от обычного кремния?
В классической КМОП-логике транзисторы создаются на монолитной кремниевой пластине. В технологии КНИ каждый транзистор представляет собой изолированный «островок» кремния, расположенный на диэлектрической подложке, обычно из диоксида кремния (SiO₂).
Главная цель: защита от излучений
Первоначально технология КНИ разрабатывалась для повышения стойкости электроники к ионизирующим излучениям — радиационному и тепловому. При облучении в полупроводнике генерируются свободные носители заряда — электроны и дырки.
В обычном кремнии электроны быстро утекают в объёмную подложку под действием внутренних электрических полей. Нескомпенсированные дырки остаются на границе кремния и оксида, создавая положительный заряд под затвором транзистора, что негативно сказывается на его работе.
В КНИ-структуре изолирующая подложка не даёт электронам уйти. В результате они компенсируют дырки, лишний заряд не накапливается, и транзистор функционирует стабильно даже в условиях радиации.
Преимущества технологии КНИ
Помимо радиационной стойкости, КНИ предлагает ряд других значимых преимуществ:
- Снижение энергопотребления и повышение скорости: Максимальные частоты переключения транзисторов КНИ могут достигать 200 ГГц, что является отличным показателем.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
В чём секрет эффективности?
В традиционной КМОП-логике существуют паразитные ёмкости между элементами. Они ограничивают быстродействие и ухудшают энергоэффективность, так как для переключения транзистора требуется время и энергия на заряд/разряд этих ёмкостей.
В КНИ-структурах паразитные ёмкости между изолированными элементами значительно меньше. Это и даёт ключевой выигрыш в скорости работы и снижении рассеиваемой мощности (TDP).
Дополнительные плюсы:
- Низковольтная работа: КНИ-приборы могут работать при напряжениях питания около 1.2 В, что дополнительно снижает энергопотребление.
- Высокая степень интеграции и отсутствие защёлкивания: В обычных схемах может возникать паразитный тиристорный эффект (latch-up), приводящий к сбоям. В КНИ транзисторы полностью изолированы друг от друга, что исключает такие проблемы и позволяет плотнее располагать элементы на кристалле.
Кремний на сапфире (КНС) — особая разновидность
Одной из продвинутых разновидностей технологии является кремний на сапфире (КНС). Сапфировая подложка обладает выдающимися свойствами: высокой твёрдостью, отличной тепло- и электропроводностью, а также прозрачностью в УФ-диапазоне, что открывает возможности для оптоэлектроники. Однако из-за высокой стоимости более распространены подложки из диоксида кремния.
Недостатки КНИ: высокая цена
Главный фактор, сдерживающий массовое распространение КНИ, — сложность и дороговизна производства. Различие коэффициентов теплового расширения кремния и изолятора приводит к механическим напряжениям и дефектам на границе, увеличивая процент бракованных пластин.
Области применения технологии КНИ
1. Мобильная и радиосвязь (4G/5G): Благодаря высоким частотным характеристикам КНИ-чипы идеально подходят для современных стандартов связи.
2. Космическая электроника: Радиационная стойкость делает КНИ незаменимой для спутников и космических аппаратов.
3. Микропроцессоры и встраиваемые системы:
В 2000-х годах IBM и AMD активно использовали КНИ. Процессоры Cell (PlayStation 3), Xenon (Xbox 360) и Broadway (Nintendo Wii), а также серверные Opteron от AMD создавались по этой технологии.
Несмотря на преимущества, в массовых CPU для ПК производители вернулись к объёмному кремнию, сделав ставку на другие методы оптимизации. Однако КНИ по-прежнему востребована там, где критичны энергоэффективность и скорость, например, в статической памяти (SRAM) для IoT-устройств и встроенных систем.
4. Промышленные датчики: Устойчивость к экстремальным температурам, радиации и агрессивным средам позволяет использовать КНИ-датчики в нефтегазовой отрасли, энергетике и тяжёлой промышленности.
5. Фотоника и оптоволоконная связь: Технология КНС используется для создания высокоскоростных оптических модулей.
6. Силовая электроника: Отличная изоляция делает КНИ подходящей для создания надёжных драйверов силовых транзисторов.
О технологических процессах изготовления КНИ мы можем поговорить в следующей статье. Спасибо за внимание!
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Экстремальная электроника. Часть 2. Кремний на изоляторе.