Glossar: 90nm Strained Silicon Prozess

Der Vergleich der beiden Die-Eckdaten lässt erkennen, dass Prescott trotz einer gestiegenen Transistorzahl weniger Fläche in Anspruch nimmt. So beinhaltet der Die nun 125 Millionen dieser kleinsten Bauelemente. Den Großteil der hinzugekommenen Transistoren macht natürlich der erweiterte 2nd Level Cache aus, aber auch die anderen Erweiterungen führten zu Steigerungen. Die Ursache für den geringeren Platzverbrauch liegt im so genannten "Shrinking".

Schon seit es Halbleiterbauelemente gibt, war es das oberste Ziel, die Bauelemente immer weiter zu verkleinern. Die Gründe dafür sind vielfältig. Am prominentesten ist sicher die Tatsache, dass kleiner Strukturen größere Taktfrequenzen bei Prozessoren erlauben. Warum ist das so? Nun, je kleiner die Transistoren sind, desto schneller können Strom führende Elektronen von einem Ende, genannt Source, zum anderen Ende, genannt Drain, fließen. Gesteuert wird der Stromfluss durch die am dritten Anschluss, genannt Gate, anliegende Spannung. Das Gate ist durch einen Isolator, meist Siliziumdioxid, vom Substrat getrennt, so dass kein Strom durch das Gate fließen kann, sondern nur ein elektrisches Feld aufgebaut wird (daher der Name Feldeffekttransistor).

Betrachten wir als Beispiel den sog. n-Kanal MOSFET (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor):

Quelle: Universität von Vilnius

Source und Drain sind zwei Siliziumbereiche, die wegen ihrer Dotierung einen Überschuss an ungebundenen, also für Stromführung zur Verfügung stehenden, Elektronen besitzen. Das Substrat dagegen ist p-dotiert, was vereinfacht bedeutet, dass hier Elektronen fehlen. Ohne elektrische Beschaltung können so also keine Elektronen von Source zu Drain gelangen, der Transistor wird "selbstsperrend" genannt.

Wird am Gate nun eine positive Spannung angelegt, fließen Ladungen aus dem Gate ab, es lädt sich positiv auf. Da das Konstrukt Gate-Isolator-Substrat quasi einen Kondensator darstellt, muss unterhalb des Isolators eine gleich große negative Ladung entstehen. Dieser Zustand heißt "Inversion", es gibt einen Bereich mit Elektronenüberschuss im eigentlich p-dotierten Substrat.

Wir haben also durch die angelegte Spannung plötzlich negative Ladung unterhalb des Gates zwischen Source und Drain, den so genannten n-Kanal. Der n-Kanal bewirkt, dass Source und Drain leitend verbunden sind und Strom fließen kann. Ähnliches gilt für den p-Kanal Transistor, bei dem Source und Drain p-dotiert sind, das Substrat dagegen n-dotiert.

Wie man sich vorstellen kann ist die Taktfrequenz, die man an den Transistor anlegen kann abhängig davon, wie schnell die Elektronen vom Source zum Drain gelangen können. Diese Zeit wird umso kürzer, je kürzer der Kanal ist. Beim 90 nm-Prozess ist dieser Kanal lediglich noch 50 nm breit! Zum Vergleich: Ein Grippevirus ist ca. 100 nm breit, ein menschliches Haar etwa 100.000 nm.

Natürlich lässt sich die Zeit, die ein Elektron braucht, noch weiter verkürzen. Dabei kommt ins Spiel, dass Elektronen umso schneller sind, je weniger Atome "im Weg stehen". Um es plastisch zu machen, ziehen wir einen Vergleich hinzu, der zwar physikalisch nicht ganz zutrifft, aber den Sachverhalt einigermaßen anschaulich macht: Ein Mensch der nahezu alleine am Bahnhof ist, wird seinen Zug schneller erreichen, als wenn er zur Hauptverkehrszeit um viele wartende Menschen herumlaufen muss. Ähnlich verhält es sich beim Silizium. Wenn es gelingt, die dicht gepackten Atome des Kanals auseinander zu ziehen, wird das Elektron schneller von Source zu Drain kommen, und nichts anderes bedeutet "Strained Silicon".