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B. Piropo
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21/03/2005
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Transistores Tri-Gate
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Escrever neste FórumPCs tem diversas vantagens. A maior, sem dúvida, é a interação com os leitores, que permite esclarecer dúvidas a qualquer tempo. Mas ter noção do número de visitantes de cada coluna também tem seu valor.

Agora mesmo acabei de verificar a quantas anda esta série. E, como um mero olhar ao gráfico aí debaixo pode comprovar, descobri que o número de visitas vem diminuindo significativamente. E por mais que eu admita que as colunas mais antigas devem efetivamente receber mais visitantes pela singela razão de permanecerem disponíveis por  mais tempo, observar a evolução do número de leitores gera uma inevitável e incômoda sensação do tipo “mamãe, acho que não estou agradando”. Mesmo porque, quanto mais olho para a curva mais ela me parece assintótica ao eixo dos “x”, e quem conhece alguma coisa da teoria dos limites sabe que isso significa que, continuando as coisas no pé em que estão por tempo suficiente, o número de leitores tenderá para zero. Sendo assim, e dadas as circunstâncias,   prometo encerrar a série o mais breve possível (ou seja, na próxima coluna) e partir para temas mais amenos. Mas, enquanto isso não acontece, apelo para a complacência de vocês. Paciência, que só falta mais uma...

figura 1

Semana passada vimos uma das opções que estão sendo estudadas para contornar os obstáculos que surgem no caminho da Lei de Moore, as malhas moleculares. Esta semana examinaremos os chamados transistores Tri-Gate (ou de porta tripla).

Quem, piedosamente, acompanha esta série desde o início sabe que transistores são compostos por três elementos básicos: fonte, dreno e porta. E que, nos circuitos digitais, são utilizados como simples chaveadores de corrente: uma tensão aplicada à porta permite que flua uma corrente da fonte para o dreno se houver uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre eles. Suprimindo-se a tensão aplicada à porta, a corrente entre fonte e dreno é interrompida.

Ora, sendo assim, o transistor MOS (Metal-Oxide semiconductor) ideal teria o aspecto da Figura 2, sendo constituído por um cilindro de material semicondutor circundado por um eletrodo metálico em forma de anel, isolado do semicondutor por uma fina camada de material isolante de altíssima resistividade (este material já existe; chama-se High-K insulator e vem sendo usado há algum tempo complementando a função de isolante exercida pelo oxido de silício). Os trechos do semicondutor que se projetam para fora do eletrodo metálico seriam, respectivamente, fonte e dreno. O eletrodo metálico funcionaria como porta. Uma tensão a ele aplicada faria uma corrente fluir de fonte para dreno, desde que haja uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre ambos.

figura 2

Com a tecnologia atual, fabricar dispositivos como os da Figura 2 na escala nanométrica (ou seja, medidos em nanômetros, ou milionésimos de milímetro) é impossível. Mas pode-se chegar a algo parecido, os transistores Tri-Gate. E, curiosamente, o que levou a seu desenvolvimento foi uma imperfeição da tecnologia de fabricação atual.

Quem leu a coluna “Fazendo Microprocessadores”, a terceira desta série, sabe que o processo de fabricação de microprocessadores consiste na deposição de sucessivas camadas de silício, óxido de silício e material fotossensível sobre um suporte, com incrustação de polissilício em pontos determinados e remoção por raspagem do excesso de material, até que se tenha o chamado “wafer”, um conjunto de camadas sobrepostas “recheadas” de transistores.

O problema – que se tornou solução – residia justamente na raspagem de excesso de material semicondutor, o silício, nas áreas planas das camadas. Dadas as dimensões microscópicas dos dispositivos, sempre sobravam alguns filetes de material semicondutor sobre a base. Esses filetes tinham altura e espessura da ordem de poucos nanômetros (veja um deles, representado em amarelo, na Figura 3-a; trata-se, naturalmente, de um esquema, pois na realidade esses filetes tinham altura e espessura irregulares, lembrando uma barbatana de peixe – “fin”, em inglês – o que levou os primeiros transistores fabricados com eles a serem conhecidos por “Fin-FET”, onde FET é a sigla de Field Effect Transistor).

figura 3

Como isso poderia ser aproveitado para criar um dispositivo semelhante ao mostrado na Figura 2? Simples. Primeiro, nas duas extremidades do filete, agrega-se mais material semicondutor que formarão a fonte e o dreno do futuro transistor, como mostrado na Figura 3-b. Em seguida, reveste-se um pequeno trecho da superfície do filete, próximo à sua zona central, com um material isolante de altíssima resistividade (conhecido como “High-K insulator”, já utilizado na fabricação da última geração de microprocessadores), como mostra a figura 3-c. Finalmente, em torno deste revestimento isolante, aplica-se uma porção de material condutor, o polissilício, que formará a porta do futuro transistor. O aspecto esquemático de um transistor assim constituído é o da Figura 3-d. Para saber mais sobre o assunto, leia o artigo de Robert Metzger, “FinFET process pushes gate lengths below 50 nm”, em
< www.compoundsemiconductor.net/articles/magazine/8/5/4/1 >.

Em que um transistor deste tipo difere do transistor comum, moldado sobre uma camada plana de silício e por isso mesmo chamado de “planar”? A Figura 4, obtida de material de divulgação da Intel, mostra os cortes de um transistor comum, Planar CMOS, e de um transistor Tri-Gate. No transistor Planar, a porta se situa acima do substrato de silício, dele isolado por uma única superfície de “High-K insulator”. Já no transistor Tri-Gate, onde o corte foi feito no ponto em que a porta se sobrepõe ao filete de semicondutor (mostrado em verde), percebe-se que a porta circunda por três lados a ligação entre fonte e dreno, agindo na verdade como uma porta tripla (daí o nome “tri-gate”), o que triplica sua eficiência. O resultado é algo muito próximo do transistor ideal da Figura 2.

figura 4

A vantagem disso não é apenas o fato da porta poder exercer sua ação mais efetivamente. Na verdade, vai muito além. Pois ocorre que os filetes de material semicondutor assim gerados podem ser extremamente finos. A Intel já conseguiu gerar filetes de silício com diâmetro da ordem de cinco nanômetros em estruturas múltiplas, como as mostradas na Figura 5 (também obtida de material de divulgação da Intel, mostrando à esquerda um diagrama esquemático e à direita uma imagem obtida por microscopia eletrônica), onde diversos canais de material semicondutor ligam fonte e dreno e são circundados por portas do tipo tri-gate.

figura 5

 

A vantagem do uso dos transistores tri-gate para expandir os horizontes da lei de Moore para além dos limites discutidos na coluna “A razão do limite”, a quinta desta série, é que ela emprega a mesma tecnologia de fabricação adotada atualmente, necessitando apenas de adaptações (e de muito maior precisão, naturalmente). As pesquisas da Intel neste campo estão bastante avançadas, como mostra a Figura 5, exibida em uma das apresentações da Intel em seu Developer Forum Spring 2005. Nela, à esquerda, se vê uma estrutura de transistores tri-gate e, à direita, um corte desta mesma estrutura (feito ao longo da porta, no local assinalado pelo traço vermelho na figura da esquerda), onde se nota claramente a seção de dois filetes (ou canais) de silício com diâmetro inferior a cinco nm.

figura 6

Note que, embora do ponto de vista da eletrônica digital um transistor tri-gate seja idêntico a um transistor planar (ambos funcionam como chaveadores de corrente entre fonte e dreno), do ponto de vista estrutural são bastante diferentes. No transistor planar, a porta se situa acima da ligação de silício entre fonte e dreno (veja esquemas na coluna “Transistor, a dimensão”, a quarta desta série), enquanto em um transistor tri-gate ela circunda quase completamente um finíssimo canal de material semicondutor (filete) de ligação entre fonte e   dreno, por onde flui a corrente elétrica.

A próxima (e última) opção a ser discutida para ultrapassar os limites impostos à Lei de Moore se baseia justamente em tornar esses canais ainda mais finos.

Mas isso não é possível com o uso de silício. Em vez dele, será usado um material com propriedades interessantíssimas.

Sobre o qual falaremos semana que vem.

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