N-МОП-технология¶

N-МОП-технология (N-канальная МОП-технология, NMOS-технология) — это технология производства полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов), в которой канал проводимости формируется в полупроводниковой подложке p-типа за счёт инжекции электронов, то есть используется n-канальный тип проводимости. N-МОП-технология является одной из базовых разновидностей МОП-технологии (металл-оксид-полупроводник) и исторически предшествовала более распространённой КМОП-технологии (комплементарной МОП-технологии). Основное преимущество N-МОП-технологии — более высокая плотность компоновки элементов и меньшая сложность изготовления по сравнению с КМОП, однако она отличается значительно большим энергопотреблением в статическом режиме.

¶История

¶Ранние разработки

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Юлиусом Лилиенфельдом в 1925 году, однако практическая реализация стала возможна лишь после развития технологии оксидирования кремния. В 1960 году Джон Аталла и Давон Канг из Bell Labs продемонстрировали первый работающий МОП-транзистор на кремниевой подложке. Первые образцы были именно n-канальными, так как подвижность электронов в кремнии примерно в 2–3 раза выше подвижности дырок, что обеспечивало более высокое быстродействие.

¶Эра NMOS (1970-е — 1980-е годы)

В 1970-х годах N-МОП-технология стала доминирующей в производстве микропроцессоров и микросхем памяти. Первые коммерчески успешные микропроцессоры, такие как Intel 8080 (1974 год) и Zilog Z80 (1976 год), были изготовлены по N-МОП-технологии. Технология позволяла создавать интегральные схемы с высокой степенью интеграции при относительно низкой стоимости. В 1979 году компания Intel представила микропроцессор Intel 8086, также выполненный по N-МОП-технологии, который стал основой для платформы IBM PC.

¶Переход к КМОП

Несмотря на преимущества в быстродействии и плотности, N-МОП-технология имела критический недостаток — высокое статическое энергопотребление. В N-МОП-схемах через транзисторы постоянно протекал ток, даже когда они не переключались. С ростом тактовых частот и плотности монтажа это приводило к перегреву и ограничивало возможности масштабирования. В 1980-х годах КМОП-технология, которая потребляет энергию только в моменты переключения, начала вытеснять N-МОП. К началу 1990-х годов большинство производителей перешли на КМОП, хотя отдельные N-МОП-микросхемы (например, в специализированных устройствах) выпускались до середины 2000-х годов.

¶Принцип работы

¶Структура N-МОП-транзистора

N-МОП-транзистор состоит из кремниевой подложки p-типа (с акцепторной примесью, например, бором), в которой формируются две области с n-типом проводимости — исток и сток. Между ними расположена область канала, покрытая тонким слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния SiO₂), поверх которого находится металлический или поликремниевый затвор. При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (U₃И > 0) в приповерхностном слое подложки под затвором образуется инверсионный слой — канал, состоящий из электронов. Этот канал соединяет исток и сток, позволяя току протекать между ними.

¶Режимы работы

• Режим отсечки (U₃И < Uпор): канал отсутствует, ток между истоком и стоком практически равен нулю (микроамперы).
• Линейный (омический) режим (U₃И > Uпор, UСИ мало): канал сформирован, ток пропорционален напряжению на стоке, транзистор ведёт себя как управляемое сопротивление.
• Режим насыщения (U₃И > Uпор, UСИ > U₃И — Uпор): ток стока перестаёт зависеть от напряжения на стоке и определяется только напряжением на затворе.

¶Особенности N-МОП-логики

В N-МОП-цифровых схемах используются два типа транзисторов: нагрузочные (обычно с обеднённым каналом) и переключающие (с обогащённым каналом). Логический элемент «НЕ» (инвертор) состоит из одного нагрузочного транзистора, постоянно включённого, и одного переключающего транзистора, управляемого входным сигналом. Когда входной сигнал равен логическому нулю (0 В), переключающий транзистор закрыт, и на выходе через нагрузочный транзистор устанавливается высокий уровень (логическая 1). Когда входной сигнал равен логической единице (напряжение питания), переключающий транзистор открывается, шунтируя выход на землю, и на выходе устанавливается низкий уровень (логический 0). При этом в состоянии логического 0 через нагрузочный транзистор постоянно течёт ток, что и вызывает статическое энергопотребление.

¶Классификация N-МОП-технологий

¶По типу затвора

• Металлический затвор (алюминий) — использовался в ранних образцах (1960-е — 1970-е годы). Недостаток: низкая температура плавления алюминия ограничивала термическую обработку.
• Поликремниевый затвор — внедрён в начале 1970-х годов. Поликремний выдерживает высокотемпературные процессы, что позволило создавать самосовмещённые структуры и повысить плотность компоновки.

¶По методу формирования канала

• N-МОП с обогащённым каналом (enhancement mode) — канал формируется только при подаче напряжения на затвор. Наиболее распространённый тип для переключающих транзисторов.
• N-МОП с обеднённым каналом (depletion mode) — канал существует и без напряжения на затворе, а подача напряжения его перекрывает. Использовался в нагрузочных транзисторах N-МОП-схем.

¶По технологическому процессу

• NMOS I (1970-е) — минимальные размеры элементов 5–10 мкм, напряжение питания 12–15 В.
• NMOS II (1978–1982) — размеры 3–5 мкм, напряжение 5 В, улучшенные характеристики.
• HMOS (High-performance MOS) — вариант N-МОП с уменьшенными размерами, разработанный Intel в 1979 году. Размеры 1,5–3 мкм, тактовые частоты до 10 МГц.
• HMOS-II и HMOS-III — дальнейшие улучшения с размерами до 1 мкм.

¶Применение

¶Микропроцессоры

N-МОП-технология широко применялась в микропроцессорах 1970-х — начала 1980-х годов:

• Intel 4004 (1971) — первый коммерческий микропроцессор, выполнен по P-МОП-технологии, но уже в 1974 году Intel 8080 перешёл на N-МОП.
• Zilog Z80 (1976) — один из самых популярных 8-битных процессоров, изготовлен по N-МОП.
• Intel 8086 (1978) — первый 16-битный процессор Intel, N-МОП.
• Motorola 68000 (1979) — 16/32-битный процессор, использовал N-МОП-технологию.

¶Память

• DRAM (динамическая память) — N-МОП-технология была основной для производства DRAM-микросхем в 1970-х — 1980-х годах. Например, Intel 2102 (1972) — 1 Кбит DRAM.
• SRAM (статическая память) — N-МОП-технология применялась для SRAM с низкой плотностью, но требовала большего энергопотребления по сравнению с КМОП.

¶Специализированные микросхемы

• Микроконтроллеры (например, Intel 8048, 8051 — ранние версии).
• Интерфейсные микросхемы (UART, контроллеры прерываний).
• Аналоговые схемы (усилители, компараторы) — N-МОП-транзисторы используются в качестве ключей и усилителей.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая плотность компоновки — N-МОП-транзисторы занимают меньше места на кристалле, чем КМОП-пары, что позволяет размещать больше элементов на единицу площади.
• Простота изготовления — технологический процесс N-МОП требует меньше операций (например, не нужны изолирующие карманы для p-канальных транзисторов), что снижает стоимость.
• Высокое быстродействие — подвижность электронов в n-канале выше, чем дырок в p-канале, что обеспечивает более короткое время переключения по сравнению с P-МОП.

¶Недостатки

• Высокое статическое энергопотребление — через нагрузочные транзисторы постоянно течёт ток, что приводит к нагреву и ограничивает возможности интеграции.
• Чувствительность к помехам — N-МОП-схемы имеют меньший запас помехоустойчивости по сравнению с КМОП.
• Ограниченное масштабирование — с уменьшением размеров элементов статическое энергопотребление росло, что делало N-МОП непригодным для субмикронных процессов.

¶Сравнение с другими МОП-технологиями

¶Интересные факты

• Первый микропроцессор Intel 4004 (1971) был изготовлен по P-МОП-технологии, но уже через три года Intel 8080 перешёл на N-МОП, что позволило увеличить тактовую частоту с 740 кГц до 2 МГц.
• Технология HMOS, разработанная Intel, позволила создавать процессоры с тактовыми частотами до 10 МГц при размерах элементов 1,5 мкм. Процессор Intel 80286 (1982) использовал HMOS.
• N-МОП-транзисторы продолжают использоваться в современных КМОП-схемах в качестве составной части — в КМОП-инверторах n-канальный транзистор является одним из двух ключевых элементов.
• В 1980-х годах существовали гибридные технологии, такие как N-МОП с динамической логикой, где статическое энергопотребление снижалось за счёт предварительной зарядки выходов.

¶Источники

• Б. Г. Стрельников, «Микроэлектроника: от транзистора до микропроцессора», 2005.
• С. М. Сизов, «Технология производства интегральных микросхем», 2010.
• Intel Corporation, «Microprocessor History: 4004 to Pentium», 1995.
• J. D. Meindl, «Low-Power Microelectronics: Retrospect and Prospect», Proceedings of the IEEE, 1995.
• R. F. Pierret, «Semiconductor Device Fundamentals», Addison-Wesley, 1996.