DISPOZITIVE ELECTRONICE
Supapele electronice, inventate la inceputul anilor 1900, au facut posibila amplificarea semnalelor electrice. De atunci, electronica s-a dezvoltat rapid, devenind o ramura importanta a tehnologiei.
Multe dintre componentele folosite in circuite electronice complexe sunt rezistoare si condensatoare electrice simple. Un rezistor este un conductor care permitea trecerea printr-un circiut a unei anumite cantitati limitate de curent electric. Rezistoarele fixe sunt, de obicei, facute din carbon sau sarma deasupra sau in interiorul unui material izolant. Rezistoarele variabile, folosite de exemplu drept controale ajustabile la radioreceptoare si televizoare, au un contact alunecator pentru ca rezistenta sa poata fi reglata.
Condensatoarele electrice constau de obicei din doua placi de metal separate de un material izolant, cum ar fi aerul, hartia sau materialul plastic. Daca placile condensatorului sunt incarcate cu electricitate, sarcina ramane acolo pana cand i se permite sa iasa sub forma de curent printr-un circuit. Pe langa rolul de stocare, condensatoarele electrice servesc si altor scopuri. De exemplu, deoarece placile condensatorului electric sunt separate de un material izolant, curentul nu poate sa treaca printre ele. Daca se modifica tensiunea electrica la una din placi, aceasta va induce o schimbare similara la cealalta placa. Astfel un condensator electric transfera o tensiune alternativa aplicata, care se modifica incontinuu, dar mentine o tensiune constanta. Deci conensatoarele electrice pot separa tensiunile electrice variabile de cele constante.
Inductoare
Un inductor consta intr-o bobina de sarma, adesea infasurata in jurul unui miez metalic. Cand curentul trece prin el, inductorul devine magnetizat, campul magnetic din jurul lui interctioneaza cu curentul care trece prin el si tinde sa se opuna orcarei schimbari in intensitatea curentului. Drept rezultat, un curent continuu constant (cc) care trece printr-un inductor este limitat doar de rezistenta relativ mica a sarmei. Drept curent altermativ (ca) sau curent continuu pulsatoriu, inductorul i se opune mult mai puternic. Acest efect este folosit la unele aparate alimentate cu curent continuu. Trecerea curentului printr-un inductor inlatura eficient radiatiile tensiunii electrice, asigurand o alimentare netezita.
Un tranformator electric tipic consta din doua conductoare bobinate in jurul aceluias miez. O tensiune electrica variabila aplicata la primul bobinaj, sau bobina primara, provoaca un camp magnetic variabil. Aceasta induce o tensiune alternativa la cel de-al doilea bobinaj, sau bobina secundara. Tensiunea electrica din aceasta poate fi mai mare sau mai mica decat in bobina primara, in functie de raportul dintre numarul de spire. Astfel, dispozitivul transforma o tensiune alternativa in alta.
Un circuit acordat consta, de obicei dintr-un condensator electric conectat la un inductor. Un astfel de circuit se foloseste la selectarea, sau acordarea semnalelor la radioreceptoare si televizoare. La o anumita frecventa de rezonanta, semnalele aplicate produc o tensiune electrica relativ mare. Pentru selectarea unui post diferit, frecventa de rezonanta a circuitului de acord trebuie schimbata, modificandu-se valoarea condensatorului sau a inductorului, sau selectandu-se un circuit acordat diferit. Multe condensatoare electrice variabile contin seturi de placi metalice care se angreneza intre ele cand sunt rotite. Bobinele cu inductanta reglabila au miezuri metalice care pot fi insurubate si desurubate.
Se pare ca IBM doreste sa demonstreze inca o data
ca este un jucator important in industria IT. Compania aloca resurse uriase pentru
cercetare iar in ultima vreme rezultatele devin din ce in ce mai vizibile. Daca echipele de
ingineri de la IBM vor continua in acest ritm, nu este departe momentul in care
un PC o sa aiba dimensiunile unui pachet de tigari.
Nanotuburile de carbon sunt, dupa cum le spune si numele,
nano-structuri uni-dimensionale capabile sa afiseze proprietati electrice
unice. Cea mai importanta proprietate a acestora consta in utilizarea lor ca si
canale pentru construirea tranzistorilor cu efect de cimp.
Cercetatori de la IBM au reusit sa puna la punct primul
circuit logic ce foloseste o singura molecula. Acestia au reusit sa creeze un
circuit 'invertor de tensiune' care este unul din cele trei circuite
de baza folosite in constructia computerelor de azi. Profilul tubular al
moleculei de carbon care a fost folosita pentru obtinerea circuitului este de
100.000 de ori mai subtire decit firul de par uman. Aceasta descoperire este a
doua reusita obtinuta de ingineri de la IBM pentru acest an. Prima, fiind in
aprilie a.c. cind acestia au reusit sa puna la punct o metoda care sa permita
obtinerea unei matrici formata din tranzistori
pe baza de nanotuburi de carbon (CNTFET) cu timpi de comutatie foarte buni. In
acel moment sa reusit separarea nanotubutilor cu proprietati metalice de cele
semiconductoare.
Prin obtinerea circuitului 'invertor de
tensiune' (poarta NOT), practic, cercetatorii au scris functiile logice
ale invertorului in lungul unui nanotub de carbon. In sistemul binar, circuitul
'invertor de tensiune' este responsabil de comutatia intre cele doua
stari logice 0 si 1.
Procesoarele ce se produc in zilele noastre au ca
principiu de functionare combinarea portilor 'NOT', 'AND'
si 'OR'. Acestea reusesc performantele de care ne bucuram cu toti
datorita gradului de complexitate al acestor structuri. Structura circuitului
'invertor de tensiune' include doua tipuri de tranzistori ce se deosebesc
prin proprietatile electrice. Acestia
sint :
Pina de curind cercetatorii detineau
numai tranzistori de
tip P. Acestia, insa, nu erau suficienti pentru a construi un circuit logic
functional. Existau metode care modifica proprietatile tranzistorilor de tip P
prin introducerea unui element electropozitiv (atomi de potasiu), dar aceste
metode prezinta un grad ridicat de complexitate pentru a fi reproduse inafara
laboratoarelor. Totusi echipa de cercetatori de la IBM a mers mai departe si
reusit sa puna la punct o metoda simpla de a transforma tranzistori de tip P in N.
Aceasta consta in incalzirea in vid a tranzistorilor de tip P care se
transforma in tranzitori de tip N. Pentru a obtine din nou tranzistori de tip P, acestia
sint expusi unui curent de aer rece. Prin incalzirea controlata a
tranzistorilor P se pot obtine caracteristici intermediare in plaja de valori
dintre tranzistori
de tip P si N, astfel apar tranzistori
bipolari (apartin atit tipului P cit si N).
Prin incalzirea in vid a tranzistorilor P se obtine pe
aceeasi structura atit tranzistori
de tip N cit si P. In aceste conditii tranzistorii complementari sint asamblati
pentru a forma o poarta logica intermoleculara. Un element important in
fabricarea CNTFET complementari este metoda doparii selective. Cu ajutorul
acestei metode se obtin tranzitori complementari in aceeasi structura de
nanotuburi, acestia formanind la rindul lor poarta logica.
Procedeul de obtinere a nonotuburilor de carbon consta in
utilizarea unui semiconductor SWNT cu diametrul de 1,4 nm si deschiderea de
aprox. 0,6 eV obtinut prin introducerea unui substrat format din siliciu oxidat
si electrozi de aur intr-o solutie de 1/2-diclor-etan. Nanotuburile obtinute se
pozitioneaza pe suprafata electrodului de aur iar suprafata conductoare a
structurii de siliciu este utilizata ca poarta de iesire. Experimentul a avut
loc la temperatura camerei si in vid. In figura 1.a sint prezentate rezultatele
pentru un CNTFET de tip P in functie de de curentul de canal (IDS) si voltajul
porti (VG) in conditiile in care temperatura este adusa pina in jurul valori de
400 °C, fiind mentinuta la aceasta valoare timp 10 min. Rezultatul este uimitor, dispozitivul functioneaza
ca un tranzistor de tip N (ON : inchide jonctiunea, conduce si OFF : deschide
jonctiunea). In figura 1.b este prezentat rezultatul obtinut prin adaugarea atomilor
de potasiu. Aceasta metoda produce tranzitori de tip N prin dislocarea
electronilor purtatori, in acest mod concentratia electronilor din banda
conductoare creste iar conductibilitatea tranzisorului ia valori pozitive.
Avantajul principal al metodei ce utilizeaza
incalzirea in vid este diferenta dintre curentul ce inchide jonctiunea si cel
care o deschide. Ca ordin de marime acesta este de 3 ori mai mare, valoare
suficienta pentru a delimita cele doua stari si pentru a se construi circuite
logice.
Pentru obtinerea tranzistorilor de tip P utilizind tranzistori SWNT tip N, este
suficient ca acestia sa fie expusi unui curent de aer ori oxigen pur. Prin
aceasta metoda materialul isi pierde treptat conductibilitatea. In aceste
conditii singura problema ce apare este stabilitatea in timp si la schimbarile
de mediu. Aceasta este rezolvata prin capsularea nanotubului de carbon cu o
pelicula protectoare. In cazul nanotuburilor capsula trebuie sa fie
confectionata dintr-un material care sa previna patrunderea gazelor din
exterior dar in acelasi timp trebuie sa asigure permeabilitate la temperaturi
inalte pentru eliminarea gazelor din interiorul capsulei. Atfel, a fost folosit
un material (PMMA) care este usor de procurat, rezistent si poate fi usor
modelat. In aceste conditii sa descoperit ca CNTFET tip P este transformat in
CNTFET tip N prin incalzire in vid la o temperatura de numai 200°C timp de 10
ore. Tranzistorul obtinut este stabil cind este expus la oxigen, dar numai la
presiuni de 100 Torri in timp ce pentru expunerea la presiunea atmosferica,
tranzistorul isi pierde calitatiile electrice. In aceste conditii a fost
utlizat un material pe baza de oxid de siliciu care mentine stabilitatea pentru
tranzistori de tip N
chiar si in conditiile expunerii la aer. Totusi protectia cu PMMA nu a fost
abandonata deoarece acesta ofera impermeabilitate fata de atomi de potasiu.
Prin alaturarea tranzistorilor de tip P si N a luat
nastere prima poarta logica de tip NOT ce are ca structura nanotuburile de
carbon. Aceasta este o componenta fundamentala, care utilizata impreuna cu o
poarta logica de tip 'AND' genereaza celelalte tipuri de porti logice
cunoscute. Invertorul de tensiune functioneaza in acelasi mod ca si
invertoarele clasice, tip CMOS. In figura 2.a . 2.d este prezentat procesul de
fabricatie prin tehnologia incalziri in vid.
Prima etapa consta
in aplicarea unui strat protector (PMMA) asupra unuia din cei doi tranzistori. Dupa incalzirea
in vid a tranzistorilor, acestia se transforma in CNTFET de tip N. Etapa a doua
este data de expunerea dispozitivului catre un jet de oxigen la o presiune de
10 Ż3 Torr pentru o perioada de 3 min. Tranzistorul ce nu a fost
protejat se va transforma, din nou, in CNTFET de tip P in timp ce al doilea isi
pastreaza calitatile unui tranzistor de tip N.
A trei etapa presupune alimentarea cu tensiune a celor doi
tranzistori, CNTFET
de tip P este polarizat pozitiv iar cel de tip N este polarizat negativ. Pentru
realizarea portii de iesire se utilizeaza un contact ce uneste cei doi
tranzitori. La aplicarea unei tensiuni de intrare pozitiva tranzistorul P este
activat iar cel de tip N ramine inactiv, astfel se obtine o tensiune negativa
la iesire. La aplicarea unei tensiuni pozitive procesul este exact invers.
In concluzie, dupa cum se poate observa din figura 3.b, in
regiunea de mijloc a curbei ce descrie raportul intre tensiunea de intrare si
cea de iesire este prezenta caracteristica unui divizor de tensiune, care
actioneaza prin modificarea valorii de iesire in raport cu cea de intrare (din
0 in 1 si din 1 in 0).
Pentru a utiliza o astfel de poarta intr-un circuit este
insa necesar ca factorul de amplificare sa depaseasca valoarea unu (adica
semnalul de iesire trebuie sa fie mai mare decit cel de intrare). La acest
punct, dupa cum se observa si din figura 3.b, invertorul de tensiune prezentat
reuseste sa duca amplificarea mult peste 1 (aprox. 1,6), acest lucru asigurindu-i o functionare
excelenta in cadrul unui circuit complex.
Ca o concluzie generala, cercetatori sint increzatori ca
cea de a doua metoda, respectiv 'incalzirea in vid', detine avantaje
majore atit d.p.d.v. al stabilitati portilor obtinute cit si datorita
coeficientului de amplicare ce permite utilizarea unei astfel de structuri in
circuite complexe.
DISPOZITIVE ELECTRONICE
Aceasta tehnologie, rezervata unei familii logice specifice, are la baza principiul devierii curentului. Un injector de curent este realizat cu un tranzistor pnp, dupa schema clasica a unei surse de curent constant. Colectorul acestui tranzistor injecteaza curent fie in baza unui tranzistor npn multicolector (de comutatie), fie in colectorul unui tranzistor npn din etajul precedent.
Schema electrica a circuitului este reprezentata in figura de mai jos. Se remarca urmatoarele :
- baza tranzistorului npn multicolector reprezinta in acelasi timp colectorul tranzistorului pnp;
- emitorul tranzistorului npn multicolector poate fi realizat in acelasi strat cu baza tranzistorului pnp.
Aceste consideratii permit cresterea gradului de integrare. Tranzistorul bipolar pnp este un tranzistor lateral, dupa cum se vede in sectiunea prin structura prezentata mai jos. Realizarea efectiva a acestei structuri nu a fost posibila de cat atunci cand tehnicile de fotolitogravura si de control al calitatii interfetelor au permis obtinerea de tranzistori laterali cu castig suficient de mare. In circuitele logice complexe tranzistorul pnp este folosit ca injector comun pentru circa o duzina de tranzistori multicolector.
Figurile 73 si 74 : Reprezentare schematica a unei celule logice elementare realizata in tehnologie bipolara I2L.
Inainte de a detalia procesul de fabricare a tranzistorilor MOS, poate fi util a se reaminti ca exista patru tipuri principale de astfel de tranzistori. Principiile constructive, simbolurile si caracteristicile electrice de iesirte si de transfer ale acestora sunt prezentate in continuare. Este vorba despre tranzistorii NMOS cu imbogatire si cu saracire, care sunt respectiv normal-blocati sau normal-conductori (normally-on, respectiv normally-off ) si despre tranzistorii PMOS cu imbogatire si cu saracire.
Figura 75 : Reprezentarea
schematica a unui tranzistor NMOS cu imbogatire (sau normal-blocat).
Tensiunea de prag e pozitiva.
Figura 76 : Reprezentarea
schematica a unui tranzistor NMOS cu saracire (sau normal-conductor).
Tensiunea de prag e negativa.
Figure 77 : Reprezentarea
schematica a unui tranzistor PMOS cu imbogatire (sau normal-blocat).
Tensiunea de prag e negativa.
Figure 78 : Reprezentarea
schematica a unui tranzistor PMOS cu saracire (sau normal-conductor).
Tensiunea de prag e pozitiva.
In acest caz este vorba despre realizarea mai multor tranzistori pe un substrat comun. Vom urmari pentru inceput un procedeu simplificat de realizare a tranzistorilor MOS cu canal N, cu imbogatire. Aceasta presupune realizarea intr-un substrat de tip p, care va reprezenta zona de canal, a celor doua zone puternic dopate de tip n, reprezentand sursa si drena. Oxidul de grila de deasupra zonei de canal va trebui sa aiba foarte bune calitati electrice. In finalul procedeului de fabricatie se vor realiza zonele de contact pentru grila, sursa si drena.
Intr-o a doua etapa vom vedea un
procedeu de fabricatie mai elaborat, si deci mai complex, pentru realizarea de
tranzistori NMOS si PMOS
in tehnologie CMOS.
Succesiunea principalelor etape tehnologice este urmatoarea :
- curatarea substratului,
- oxidare groasa de mascare, pentru doparea sursei si drenei,
- fotolitogrfie pentru realizarea deschiderilor sursei si drenei,
- dopare cu fosfor (prin difuzie sau implantare ionica),
- fotolitografie pentru realizarea deschiderii zonei de canal,
- oxidare fina (realizarea oxidului de grila),
- ajustarea tensiunii de prag, prin implantare ionica de bor,
- fotolitografie pentru deschiderile contactelor de sursa si drena,
- depunere de aluminiu,
-fotolitogravarea aluminiului,
- recoacere finala, in forming-gaz (amestec de azot si
hidrogen 10%), pentru imbunatatirea calitatii contactelor.
Acest
procedeu foarte simplu permite realizarea de tranzistori MOS; el corespunde
primelor procedee MOS aplicate in practica industriala
la
inceputul anilor 70. Se remarca existenta diferitelor etape
de mascare necesitand alinierea mastilor. Pentru a reduce dimensiunile tranzistorilor a fost necesar sa se gaseasca
metode de permit pozitionarea automata a sursei si drenei in raport cu grila. Aceste
tehnologii se numesc deci 'autoaliniate'. Procedeul CMOS prezentat in
continuare ilustreaza aceasta noua tehnologie.
