Beter begrip silicium door 'dopants'-onderzoek

Al sinds 1965 voorspelt de wet van Moore dat het aantal transistors op een halfgeleider elke achttien maanden verdubbelt, waarbij de benodigde oppervlakte halveert. Na ongeveer vijfentwintig van deze periodes achter de rug te hebben, wordt het echter steeds ingewikkelder om de onderdelen nog kleiner te maken. Het probleem zit hierbij voornamelijk bij de zogenaamde 'dopants'; atomen die een vaste stof - in het geval van transistors silicium - vervuilen. Wetenschappers stoppen met opzet dergelijke vervuilstoffen in transistors, aangezien zij de elektrische eigenschappen van een halfgeleider bepalen. Nu alles steeds maar kleiner wordt, betreffen de dopants vaak echter nog slechts een paar atomen, zodat het praktisch onmogelijk was om een goed beeld te krijgen van het functioneren van deze atomen in een materiaal.

Via bepaalde apparatuur was het tot nu toe wel mogelijk om de dopants te bekijken die aan het oppervlak zitten, maar aangezien bekend is dat de atomen die zich binnenin het kristalrooster van een vaste stof bevinden andere eigenschappen hebben, konden uit dit soort onderzoeken geen bindende conclusies getrokken worden. Een nieuwe 'scanning transmission electron microscope' die door Bell Labs ontwikkeld is, lijkt echter een einde te maken aan het tijdperk met deze beperkingen. Deze modernste apparatuur kan alle dopants bekijken, ook als deze zich niet aan de oppervlakte van het silicium bevinden.

Volgens wetenschappers is dit een enorm verschil, vergelijkbaar met het bestuderen van het gedrag van dieren in een dierentuin, met een zelfde soort onderzoek in het wild. Nu men de chemische en fysische eigenschappen van vervuilende atomen in het materiaal direct kan onderzoeken, zal er een betere kennis ontstaan van hoe deze atomen de eigenschappen van een halfgeleider exact beïnvloeden; een benodigdheid voor het nog verder verkleinen van toekomstige elektronische apparatuur. Door deze ontwikkeling zal men in de toekomst dus in staat zijn om kwalitatief hoger silicium te produceren, iets dat zeker bij zal dragen aan het handhaven van de wet van Moore.

Reacties (21)

[JumpStart]

Het juiste nederlandse woord voor 'dopant' is 'dotering', en het bewust aanbrengen van vreemde atomen noemt men dus 'doteren'.

Het is trouwens niet 'zo maar even' vervuiling, het bijna altijd een element met 3 of 5 electronen in de buitenste schil. Omdat silicium er 4 heeft, en de 'dotering' ook in het atoomrooster van silicium zit zal een 3-waardig vreemd atoom dus een electronen'gat' veroorzaken, en een 5-waardig atoom zal een los extra atoom in het rooster brengen.

Helemaal puur silicium geleidt dan ook vrijwel niet, door het te doteren met 3- of 5 waardige atomen kan de geleidbaarheid met factor honderd, duizend of zelfs nog meer omhoog gaan.

[tweakerbee]

Daarom heet het ook een halfgeleider.

[Anoniem: 17712]

Idd. Het zijn materialen die de valentie van silicium veranderen. Dit is zowel een lokaal (atoom) als een minder lokaal effect. Statistische methoden werken steeds slechter bij kleine hoeveelheden atomen. Kwantumstatische methoden geven nu betere resultaten. Maar daar moet dus nog meer onderzoek naar plaatsvinden.
Moore had (voorlopig) nog gelijk, er moet wel steeds meer $$$tegen aan gegooid worden.

[RobT]

Het probleem van de dotering en schaalverkleining is, dat de transistorwerking gebaseerd is op bepaalde eigenschappen, die afhangen van het proces.
Maar dat proces is weer opgesteld/geconstrueerd met statistische grootheden.

Met de huidige afmetingen van transistoren kan men nog spreken van 'de eigenschappen' van de transistoren, die in principe gelijk zijn, met evt een soort spreiding/verschuiving over de chip (linksonder bv wat sneller dan rechtsboven, andere thresholds/drempelspanning).

Als de verkleining zover is dat een tor nog maar 20 atomen breed is, is de dotering onder het kanaal niet meer te zien als een statistische grootheid, en kan men dus niet meer generaliseren wat betreft 'de transistoren op de chip'.
En hier was generaliseren juist goed, allemaal gelijk.
Dat betekent dat de te behalen schakelsnelheid van torren niet meer goed te beheersen is.

Redundantie inbouwen kan wel, maar dat houdt dan in dat je de torren groter maakt dan mogelijk, en dus maak je niet optimaal gebruik van de procestechnologie. En dus kon je net zo goed de laatste schaalverkleiningsstap (=kostbaar) niet doen...

Dit doteringsonderzoek zal er hopelijk toe bijdragen voornoemde limieten en problemen hanteerbaar en oplosbaar te maken, door het grotere inzicht in het gedrag van gedoteerd silicium.

Goed nieuws dus, waarvan de resultaten pas over een paar jaar duidelijk en echt belangrijk zullen zijn.
Maar dat is altijd zo met research...

[twiFight]

Ze moeten het niet té klein maken.

Straks zit je met een vergrootglas te zoeken waar de hel de processor ook alweer op het moederbord zat...

[Anoniem: 2141]

als de benodigde oppervlakte kleiner wordt jassen ze er meer transistors op, dus de complexiteit van de chip compenseert wel voor die oppervlakte verkleining..

[madwoody]

Denk niet dat ze de aansluit pootjes ook zo klein kunnen krijgen

[RobT]

De chips zelf (cpu's) hebben allang geen lead-frame met pootjes meer, zoals bv je bios flash/eeprom chip nog wel, maar een bga (ball grid array), dus een soort schaakbordpatroon over de hele chip, waar steeds ipv een schaakstuk een metalen balletje ligt.
En daarmee wordt de cpu met de koperdraden in de verpakking elektrisch verbonden.

Die verpakking lijkt zelf weer op een mini moederbord (pcb), met meerdere lagen om uiteindelijk aan de andere kant de cpu signalen via pinnen in de socket met het mobo te verbinden.

De bga technologie is uitgevonden om te zorgen dat er genoeg verbindingen tussen mobo en cpu gemaakt kunnen worden, bij een leadframe technologie met pinnen rondom heb je meestal bondpads langs de rand van de 'die' (chip), die met de leadframe pinnen verbonden worden. Als je alleen langs de rand verbindingen zou kunnen maken, gaat er toch iets mis met de huidige cpu's die meer dan 400 pinnen hebben.

Overigens is (meer dan) de helft van de balls van de bga van cpu's puur en alleen voor de voedingsaansluitingen. Er is nl een stroomlimiet per verbinding (ball).

[shades]

misschien moeten ze van het aloude ontwerp afstappen van pootje aan de zijkanten.. pootjes onder en boven of... geen idee hoe de socket er dan uit moet komen zien en koelen zal ook wel een drama worden maar ja.. veel pootje (te veel) betekend zoeken naar alternatieven

[atlaste]

Dat interesseerd ook niet: dat 'probleem' is er nl. al heel lang. (kan je overigens heel goed zien bij Duron's ed)

Je trekt gewoon van ergens van de echte chip een draadje naar het aansluitpunt - in dit geval dus bv. onderaan. De rest is gewoon vulstof zodat het voor mensen een beetje hanteerbaar is.

En als het te moeilijk wordt donderen ze gewoon een deel van de chipset er op zodat er minder draadjes overblijven?

[Maverick]

het lijkt wel een wedstrijd te worden, of ze die wet van moore wel bij kunnen houden, als ze nu gewoon iets langzamer gaan dan had moore geen gelijk, jammer voor hem, maar wat maakt dat nu uit

[tweakerbee]

Nou, dan kun jij niet elke 4 maanden een nieuwe processor kopen. Dat zou wel vervelend zijn. Straks moeten we allemaal een andere hobby gaan zoeken.

Of nog erger: Communiceren met mede-homosapiens.

[Targeter]

Self-fulfilling prophecy heet dat

[Anoniem: 53924]

Laten we fouttolerantie ontwerpen !
Laten we eens onderzoeken hoe klein je mag gaan zonder werkelijk alles buiten werking te stellen.
Een paar vuiltjes moet toch best kunnen..

[deepbass909]

Als je goed had gelezen (en een beetje kennis van halfgeleiders had), dan hed je begrepen dat het niet om een willekeurige vervuiling gaat, maar om een moetwillige. Zonder deze vervuiling jij nooit een tweaker kunnen zijn, omdat de transistor nooit zou hebben gewerkt.
De vervuilingen nemen echter inmiddel zulke minimale vormen aan, dat elk atoom begint te tellen. Dit onderzoek zorgt ervoor dat we over 2 jaar allemaal zitten te geilen op een Pentium 6 of athlon...

[Anoniem: 53924]

Aha, maar zou het dan niet leuk zijn als die moedwillige vervuiling die soms niet goed vervuild is toch door kan werken met foutcorrectie?
De vraag is dan: hoeveel overhead wil je gebruiken voor foutcorrectie.
Misschien is het wel zo dat als je een vuistregel ontdekt voor de ratio van verkleiningswinst die je kan boeken dankzij deze overhead aan foutcorrectiecomponenten je zelfs meer snelheidswinst kan boeken dan die wet van Moore voorspelt.

[Anoniem: 32081]

Aha, maar zou het dan niet leuk zijn als die moedwillige vervuiling die soms niet goed vervuild is toch door kan werken met foutcorrectie?

De associatie vervuiling - foutcorrectie slaat al nergens op. De vervuiling (doping) van de halfgeleider zorgt juist voor een verandering van de electrische eigenschappen die zeer gewenst is. Die doping moet er juist zijn om bepaalde eigenschappen te hebben. Het is dus niet zo dat die vervuiling een negatief effect heeft op de halfgeleider, integendeel zelfs.

[Anoniem: 53924]

Ben ik de enige die mijzelf begrijpt?
De associatie vervuiling - foutcorrectie slaat wel degelijk ergens op als je het in mijn context probeert te zien.
Met vervuiling bedoel ik de gewenste dotering, met foutcorrectie bedoel ik eigenlijk fouttolerantie en dan meer in de zin van redundante componenten.
Met een gewenste ratio bedoel ik de mate van redundantie van componenten in verhouding tot de meest optimale verkleining van de schaal waarbij door de redundantie de werking voor een gewenst opleveringspercentage (werkende processors) gegarandeerd kan worden.
Oftewel:
Je ontwerpt voor de meest vitale componenten een backup component zodat een percentage van je produkt ondanks instabiele dotering toch blijkt te werken.

[atlaste]

<zucht> Waarom denk je dat je P3 nog blijft werken als je 'm te ver overklokt en daarbij een klein stukje doorfikt??? Het probleem is overigens ook niet alleen maar beperkt bij instabiele dotering, maar ook door stomme stofjes oid (tenzij je dat er ook onder rekent ).

Vitale componenten zijn allang redundant uitgevoerd. Dat betekent nl. voor AMD en Intel een *veel* hoger produkt-opleverings percentage.

Chips bakken is iets heel moeilijks, heel fragiels en er is heel veel geld (en dus research) mee gemoeid. Dat betekent in jou geval dat je opmerking dan wel dom, of in dit geval zoals je het uitlegt volkomen nutteloos is. Wat jij verzint is al tientallen jaren geleden door iemand anders bedacht.

[Anoniem: 23081]

Nice, steeds dunnere structuren, dan zullen we zien of de atoom-thoerieën kloppen, want we moesten de grootte van een atoom studeren met de bijhorende massa's en energieën.

Als de cpu kunnen gemaakt worden met kleinere structuren, dan moeten we de chemie serieus updaten.

[atlaste]

dan zullen we zien of de atoom-thoerieën kloppen, want we moesten de grootte van een atoom studeren met de bijhorende massa's en energieën.

Nee. Het heeft veel meer (lees: alleen maar) te maken met geleiding van de stof en niets met de massa van een stof.

Het zou denk ik niet kwaad kunnen een goed boek te pakken en eens te leren hoe zo'n transistor werkt en wordt gefabriceerd. Ik verzeker je dat je als je de onnauwkeurigheid van de fabricage-methode in acht neemt geen uitspraak meer kan doen over atoom-theorieen.

Als de cpu kunnen gemaakt worden met kleinere structuren, dan moeten we de chemie serieus updaten.

De chemie updaten? Het is algemeen bekend van quantummechanica dat alleen maar uitspraken achteraf kunnen worden gedaan. Maw: dat moet toch wel.