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| Titel: | Prozessoren | |
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4. weitere Informationen
Herstellung der Chips
Allgemein
Trotz der vielen und immer höhergezüchteten Prozessoren sollte man nicht vergessen, daß deren Performance auf der technischen Elementarzelle - dem Feldeffekttransistor - beruht. Denn auch dieser wurde im Laufe der Zeit weiterentwickelt.Nur die Strukturverkleinerung dieser Schalter ermöglicht eine stetige Verbesserung der CPU-Leistung. Dies gilt natürlich auch für andere Speicher wie DRAM.
kleinere Transistoren bedeuten:
Der Transistor
Ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist eigentlich recht einfach aufgebaut:Zwischen zwei stark dotierten Elektroden liegt ein Kanal der entgegengesetzten Dotierung - bei n-Kanal-MOSFETs liegt also zwischen den n-dotierten (Source- und Drain-) Elektroden ein p-dotierter Kanal. Über diesem Kanal befindet sich (durch eine Oxid-Schicht davon isoliert) eine dritte, die sogenannte Gate-Elektrode.
Liegt an dieser Gate-Elektrode eine hinreichend große positive Spannung an, werden Elektronen aus dem p-dotierten Halbleiter angezogen. Überschreitet die Gate-Spannung einen bestimmten Schwellenwert, wird der Kanal leitend und der Transistor schaltet frei.
Die Herstellung
Die Herstellung eines MOSFET kann man in 4 Phasen unterteilen:
Polysisizium hat aufgrund besserer Temperatur- und Ätz-Eigenschaften Aluminium als Gate-Material verdrängt; es verhält sich aber wegen der hohen Dotierung wie ein Metall.
Der Chip wird nun mit Ionen beschossen, bis nur noch die maskierte Polysiliziumschicht stehengeblieben ist (sog. reaktives Ionenätzen).
Will man nun diese Transistoren noch kleiner herstellen als bisher, so verkürzt man hauptsächlich die Kanallänge. Das hat aber zur Folge, daß sich die Ladungsdichte unter dem Gate-Oxid verringert und damit der Transistor eine höhere Spannung benötigt, um umzuschalten.
Diesen Effekt kan man kompensieren, indem man die Dicke des Gate-Oxids verringert und die Dotierung des Kanals verstärkt.
Mit Hilfe der optischen Lithographie, wie sie heute eingesetzt wird, lassen sich Bauelemente bis etwa 100 Nanometer Strukturbreite fertigen. Unterhalb dieser Wellenlänge (193 Nanometer bei herkömmlicher Technik) wird es schwierig, entsprechende Strahlungsquellen zu finden, und auch optische Komponenten zur verkleinerten Abbildung von Masken liegen noch nicht vor.
Mit sogenannten 'vertikalen Double-Gate-Transistoren' wurden aber in Labors bereits Transistoren mit Gate-Längen von nur 18 Nanometern hergestellt. Zum Vergleich: aktuelle Prozessoren werden im 0,18 µm-Prozeß gefertigt, besitzen also Transistoren mit Gate-Länge 180 Nanometer.
Wissenschaftler arbeiten an Ersatztechniken, wie Röntgen-, Ionen- und Elektronenstrahllithographie. Die bisher in Labors eingesetzte Elektronenstrahllithographie schreibt die Strukturen wie mit einem sehr feinen Stift auf die Halbleiteroberfläche und ist daher für Produktionszwecke ungeeignet, da sie im Vergleich zur Belichtung mit Masken zu lange dauert.
Neben neuen Lithographie- und Design-Prozessen steht den Chipentwicklern noch ein dritter Weg offen, um die Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen zu steigern: das Material.
Beispiel: In Germanium oder Germaniumarsenid bewegen sich die Ladungsträger ungleich schneller als im Silizium, was eine höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistoren bedeutet. Allerdings sind diese Materialien schwierig zu handhaben. Germanium bildet keinen natürlichen Isolator aus und Germaniumoxid ist zudem wasserlöslich.
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