Tranzistor

Kaj se bomo v tem poglavju naučili

Spoznali bomo tranzistor, polprevodniški element, ki je začel nezadržno pot polprevodniške tehnologije. Opisana je zgradba in delovanje  unipolarnega tranzistorja (MOSFET) in CMOS para.

Nekaj o tranzistorju

Osnovni gradnik digitalnih elektronskih vezij je tranzistor.
Njegova vloga v digitalnih vezjih je največkrat vloga krmiljenega stikala: z enim signalom "preklapljamo" tranzistor, ki predstavlja stikalo za drug signal. Pred njim so vlogo stikala igrali mehanska stikala, električni rele in elektronka.
Prednosti tranzistorja so majhne dimenzije, hitrost, tihost, majhna poraba in možnost integracije velikega števila tranzistorjev na majhnem prostoru.električno stanje

Tranzistor je izdelan iz polprevodnih snovi (silicij, germanij) z dodatki (Ga, As, In in drugih snovi). 

Odkritje tranzistorja in njegovega ojačevalnega učinka je pognalo razvoj polprevodniških elektronskih vezij v neslutene dimenzije. Najprej so bila to analogna vezja - npr. ojačevalniki signalov in podobna vezja. Kmalu pa je tranzistor dobil svoj pomen kot elektronsko stikalo, ki je osnovni gradnik za digitalna elektronska vezja. Slika levo:  Prvi tranzistor (?!), začetek polprevodniške elektronike. Slika desno:  Odkritje leta 1947, Bell-Laboratories

Posamezni tranzistorji so danes vgrajeni v značilna ohišja s tremi nožicami. (Pri močnostnih izvedbah s kovinskim ohišjem prevzame vlogo ene od nožic kar ohišje.) Bistveni del tranzistorja - PN-spoj, pa je zelo majhen. Pri integriranih vezjih z mnogimi tranzistorji številna ohišja seveda niso potrebna. Na majhni površini čipa je lahko vgrajeno veliko število tranzistorjev.
Posamezni tranzistorji se danes uporabljajo v elektroniki kot močnostni ojačevalni elementi ali kot stikalo.

Slika: Različne izvedbe tranzistorjev. Oblika ohišja je odvisna od namena uporabe tranzistorja ( močnostni, visokofrekvenčni ...), segrevanja in drugih dejavnikov.	Slika: Uporaba tranzistorja v integriranem vezju. Prikazana je zgradba NAND (NE-IN) vrat.V resnici so tudi  upornosti realizirane s tranzistorji.	Slika: Strukturo  procesorja IBM Power3 (na sliki)  sestavlja 15 milijonov tranzistorjev.

 

MOSFET tranzistor

Prvi tranzistor je bil zasnovan v tako imenovani bipolarni tehniki. Zanjo je značilna velika hitrost preklopov, kar je bil ključni argument za vgradnjo v logična vezja. Slabost je večja poraba električnega toka za delovanje, tudi zgolj za vzdrževanje logičnega stanja. Sledile so izboljšane družine logičnih vezij z  bipolarnimi tranzistorji.

Pomemben kvalitativni skok pa pomeni razvoj na področju unipolarnih tranzistorjev. Princip delovanja teha tranzistorjev je drugačen: z ustvarjanjem električnega polja spreminjamo prevodnost njegovega  "glavnega" kanala. (Oznaka FET - iz angl. Field Effect Transistor, pomeni tranzistor z učinkom polja, namreč električnega.)  Oznaka MOS pa pride od angl. Metal Oxide Semiconductor, ki je oznaka za tanko plast kovinskega oksida v takšnem tranzistorju. Takšna plast je prikazana na spodnji sliki.

Slika : Zgradba MOSFET tranzistorja - prerez.  Pot med izvorom S in ponorom D postane prevodna, ko na vrata G pritisnemo električno napetost.

Na sliki je shematičen prikazan MOSFET tranzistorja v prerezu. Pomen oznak: S - izvor (angl. source) D - ponor (angl. drain) G - vrata (angl. gate) B - substrat, podlaga (angl. bulk) n+, p - silicij z različnimi vrstami primesi Na osnovi (substratu) sta priključena kontakta S (Source) in G (Gate). Med njima električni tok ni možen, saj substrat sam ne prevaja. Vrata G (Gate) so od substrata električno izolirana s tanko plastjo kovinskega oksida. Toda če na G pritisnemo električno napetost, se pod izolacijo ustvari prevodni "kanal" in tok med elektrodama S in D lahko steče. Tranzistor se torej vede kot stikalo, vrata pa služijo za krmiljenje.

Velika omejitev v začetnega obdobja sta bili hitrost in velika občutljivost na statične razelektritve. Današnja vezja z MOS tranzistorji imajo izboljšano odpornost na opisane motnje in izboljšano hitrost in predvsem - dosti nižjo porabo energije za delovanje.

Na spodnji  sliki je prikazan prostorski prikaz MOSFET tranzistorja med prevajanjem - prevodni kanal (zelena barva) je vzpostavljen. Tok med priključkoma D in S lahko teče. Na prejšnji sliki kanala še ni bilo.

Slika: Prostorski prikaz MOS tranzistorja v stanju, ko je zaradi krmilne napetosti na vratih G induciran prevodni kanal  med sponkama D in S.

Še prav na kratko o tehnološkem postopku izdelave

Sestavine za izdelavo MOS tranzistorjev so:

• čisti monokristalni silicij
• monokristalni silicij s primesmi
• polikristalni silicij
• silicijev oksid (SiO2) - tanek in debel
• kovina (npr. aluminij)
• zaščitno steklo

Primesi monokristalnemu siliciju so

• donorske primesi (npr. fosfor), v različnih koncentracijah  (10¹⁰ ... 10¹⁸/cm3). Označevanje:  n-, n, n+   in
• akceptorske primesi (npr. bor), v različnih koncentracijah  (10¹⁰ ... 10¹⁸/cm3 ). Označevanje:  p-, p, p+.

Postopki pri izdelavi integriranega tranzistorja in vezij:

• epitaksija (nanos plasti...)
• oksidacija
• fotolitografija (selektivno odstranjevanje določene plasti)
• difuzija oziroma ionska implantacija (vnašanje primesi)
• metalizacija (nanos kovinske plasti)
• nanos zaščitnega stekla

Število vgrajenih tranzistorjev današnjih vezij presega vrednost 10⁹ (ULSI - Ultra Large Scale Integration).

CMOS vezja 

Če zgradimo dva MOSFET tranzistorja v  komplementarni par (CMOS - Complementary MOS), dobimo še znatno izboljšane stikalne lastnosti, predvsem izjemno nizko porabo električnega toka.
Komplementarni par MOS tranzistorjev je zgrajen je iz dveh tranzistorjev različnih tipov (MOSFET tranzistorja p-tipa in n-tipa ), ki imata kanala povezana zaporedno, krmiljena pa sta komplementarno.


Poglejmo na primeru preprostega vezja - invertorja.
Njegova naloga je, da električno stanje, ki je na vhodu, "obrne". Pri "visokem" stanju napetosti na vhodu dobimo na izhodu "nizko" stanje in obratno. Inverter je eden osnovnih gradnikov logičnih in pomnilniških vezij mikroprocesorjev.
Na spodnjih slikah je prikazano CMOS vezje, uporabljeno kot stikalo. Na izhodni sponki (med kanaloma obeh tranzistorjev) dobimo v prvem primeru visoko stanje, v drugem pa nizko.
 

Slika 5: Nizko stanje na vhodu odpre prevodni kanal  zgornjega tranzistorja, preko katerega se napolni kapacitivnost na izhodu. Spodnji tranzistor ostane zaprt.

Slika 6: Visoko stanje na vhodu odpre prevodni kanal spodnjega tranzistorja, preko katerega se kapacitivnost na izhodu izprazni. Zgornji tranzistor ostane zaprt.

Pri vzdrževanju stanja - visokega ali nizkega  je poraba toka praktično zanemarljiva: v obeh primerih je namreč eden od tranzistorjev v zaprtem stanju, zato je tudi skupna prevodna pot zaprta. Tokovna poraba v tem stanju je le nekaj deset nA!

Mimogrede, nizka poraba mikroprocesorjev je eden od glavnih izzivov v sodobnem razvoju mikroprocesorjev.


Še en primer uporabe MOS tranzistorjev - pomnilniška celica (statičnega) RAM-a.  

 

Slika: Pomnilniška celica statičnega pomnilnika. Z linijo (signalom) W izberemo celico, liniji B in /B pa sta za pisanje/branje shranjene vrednosti.
Slika desno: Vrata NE (inverter). Na levi sliki lahko vidimi dvoje takšnih vrat (inverterjev) - poišči ju!

Preveri svoje znanje

1. V digitalni tehniki uporabljamo tranzistor kot:

filter
ojačevalnik
stikalo

2. Tranzistor je star...

manj kot 50 let
med 50 in 100 let
med 100 in 200 let
približno 250 let

3. Kateri vrstni red odkrivanja je pravilen?

tranzistor, elektronka, stikalo, rele
stikalo, rele, elektronka, tranzistor
stikalo, rele, tranzistor, elektronka

4. Prevodni kanal v MOSFET tranzistorju nastane...

v kovinskem oksidu (Metal-Oxide, MO)
v substratu pod kovinskim oksidom, zaradi električnega polja
zaradi namagnetenja polprevodnega substrata pod tanko oksidno plastjo

5. Glavna prednost MOSFET tranzistorja je...

nizka poraba
hitrost
boljša temperaturna stabilnost

-