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
nm si deschiderea de aprox. 0 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.
|
Figura.1 |
|
|
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).
|
Figura.2 |
|
|
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 ), acest lucru asigurindu-i o functionare excelenta in
cadrul unui circuit complex.
|
Figura.3 |
|
|
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.
