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越"變"越快的電晶體

2011/02/09 | 未分類 |

Original publish date:Dec 23, 2003

編輯 Agape 報導

英特爾公開其使用於奔騰與迅馳晶片的應變矽技術。

電腦晶片巨人 Intel在本月初於華盛頓特區舉行的International Electron Devices Meeting中﹐揭開了它們使用在Pentium與Centrino晶片裡獨家技術的秘密。這項技術的特色在於不用縮小電晶體的尺寸﹐就可以達成提高其運作速度的目的。

電腦晶片的速度﹐主要是取決於其中電晶體開和關的速度。而每一個電晶體開關的速度﹐則與其中電流通過導電通路所需的時間大致成反比的關係。由於矽仍然是主流且方便取得的製造原料﹐所以目前許多製造晶片的廠商﹐為了提高CPU的運算速度﹐大多是從縮短導電通路的尺寸著手。然而﹐在導電通路向數十奈米的目標推近時﹐現有的技術面臨了極難突破的瓶頸。而Intel透過使矽的晶體結構產生形變﹐避開了這個問題﹐達成了進一步提高電晶體速度的目標。甚至在2002年時﹐就推出了內含有這種新技術製造晶片的電腦。

一旦Intel透露了這項新技術的內容﹐相信學過固態物理的人都會恍然大悟﹐不禁佩服他們的巧思。原來在晶體中電子的運動﹐是受晶體結構的影響。由於晶體結構對稱性的關係﹐在晶體中會形成如球體或橢圓體的能帶 ﹐晶體中的電子(或電洞) 就可以在這些稱為”軌道”的能帶中運動﹐導電的功能也就這樣形成。而這些軌道的方向﹐對於導電是十分重要。對任意的一個導電方向而言﹐總有兩個軌道是位在電流通過的方向﹐另外有四個軌道兩兩互相垂直﹐並且是位於與電流方向垂直的截面上。在矽元素中﹐由於晶體對稱性的緣故﹐這六個軌道對任意的電子與其伴隨產生的電流具有一樣的影響。然而﹐如果晶體結構受到外力沿著某一方向被伸展(張力性的應變)﹐則該方向的能帶將會隨著減少﹐使得電子的運動較為容易。相反地﹐若晶體受到壓縮(收縮性的應變)﹐則相對應的能帶變化將有利於電洞的運動。

到底Intel是如何將上述的原理實現在其晶片製造上呢﹖根據Intel的資深研究員Mark Bohr表示﹐為了提高電子的速度﹐他們在p-doped(攙有硼以提供電洞) 的區域相對應的兩端挖出稱為”壕溝”(trenches) 的結構﹐然後填入具有較大晶格常數的鍺化矽(SiGe) 。所填入的鍺化矽則會從兩側壓縮其間的矽﹐使得其能帶利於電洞通過。如此﹐可以提昇電洞的運動率達25%。而為了伸展矽的晶格﹐他們在整個電晶體的表面在高溫下利用沉積法鍍上一層氮化矽(SiN) 。由於氮化矽的熱膨脹(收縮) 係數比矽元素小﹐在元件冷卻的過程中﹐會對矽的收縮產生牽制的作用﹐使得其在冷卻之後具有較大的晶格常數﹐將有利於電子的運動。如此﹐可以提昇電子的運動率達10%。

加上最近在電晶體中最小尺寸已經達到的90奈米﹐Intel宣傳他們所推出的電腦晶片﹐其速度將可以比同樣大小的一般晶片快20%。有鑒於Intel成功的例子﹐藍色巨人IBM也表示﹐要將這項技術應用在他們90奈米的晶片上。看來﹐這場晶片速度的競賽﹐已經逐漸脫離了原先的尺寸之爭﹐未來將是看誰能夠在調整矽的晶體結構上面取得優勢了。

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Jun 13, 2006] 高品質的矽鍺基板
  • [Jan 08, 2004] 鈦酸鍶:新的電晶體絕緣氧化物
  • [Dec 31, 2003] 第一個發光電晶體(Light Emitting Transistor)
  • [Nov 14, 2003] BJT的速度競賽﹕可不可以再快一點﹖
  • [May 30, 2003] 速度更快的透明電晶體

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