Транзистор¶

Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и коммутации (переключения) электрических сигналов. В электрической цепи транзистор работает как управляемый ключ или усилитель тока (напряжения), в зависимости от режима работы. Транзисторы являются базовыми элементами современной электроники: они составляют основу интегральных микросхем, которые, в свою очередь, используются во всех вычислительных устройствах, телекоммуникационной аппаратуре, бытовой технике, автомобильной электронике и промышленных системах управления.

¶История

¶Предпосылки создания

До появления транзисторов основным активным элементом электронных схем была электронная лампа (триод, пентод и др.). Лампы обеспечивали усиление и коммутацию, но обладали рядом существенных недостатков: большими габаритами, высоким энергопотреблением, выделением значительного количества тепла, низкой механической прочностью и ограниченным сроком службы. В 1920‑е — 1930‑е годы инженеры активно искали твёрдотельную альтернативу вакуумным приборам.

¶Первый транзистор

Первый действующий точечно-контактный транзистор был продемонстрирован 16 декабря 1947 года в лабораториях Bell Telephone Laboratories (США) группой учёных: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. За это открытие все трое были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году. Устройство представляло собой кристалл германия, к которому на расстоянии около 50 мкм друг от друга были прижаты две тонкие металлические иглы — эмиттер и коллектор. Третьим электродом служила подложка кристалла — база. Хотя конструкция была неустойчивой и сложной в изготовлении, было доказано, что полупроводниковый триод способен усиливать сигнал.

¶Развитие технологии

В 1948 году Уильям Шокли предложил концепцию плоскостного (биполярного) транзистора — более надёжного и технологичного. В 1950 году были созданы первые промышленные образцы. В 1954 году компания Texas Instruments освоила производство кремниевых транзисторов, вытеснивших германиевые из-за большей термостойкости и стабильности. В 1958 году Джек Килби (Texas Instruments) и Роберт Нойс (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга изобрели интегральную микросхему, где несколько транзисторов и других компонентов изготавливались на одном кристалле. С этого момента началась эпоха миниатюризации. Изобретение полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов) в 1960‑х годах позволило создать КМОП-технологию (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), которая стала доминирующей в цифровой электронике.

¶Классификация

Транзисторы классифицируются по нескольким основным признакам.

¶По принципу действия

• Биполярные транзисторы (BJT) — в них ток создаётся носителями заряда двух типов: электронами и дырками. Управляющим сигналом является ток базы. Различают структуры n-p-n и p-n-p.
• Полевые транзисторы (FET) — ток в них создаётся только одним типом носителей (электронами или дырками), а управляющим параметром служит напряжение на затворе. Делятся на транзисторы с управляющим p-n‑переходом (JFET) и с изолированным затвором (MOSFET, МОП-транзистор). КМОП-транзисторы являются разновидностью MOSFET, в которой дополняющие друг друга n-канальные и p-канальные транзисторы используются совместно.
• Однопереходные транзисторы (UJT) — используются в генераторах и таймерах, имеют два полупроводниковых перехода и один управляющий электрод.
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — гибридные приборы, сочетающие входной полевой транзистор (управление по напряжению) и выходной биполярный каскад (высокая проводимость). Широко применяются в силовой электронике.

¶По материалу полупроводника

• Германиевые (исторически первые, ныне почти не используются).
• Кремниевые — абсолютное большинство современных дискретных транзисторов и микросхем.
• Кремний-германиевые (SiGe) — используются в высокочастотной электронике.
• Полупроводниковые соединения (арсенид галлия, нитрид галлия, карбид кремния) — применяются в СВЧ-устройствах, оптоэлектронике и силовых модулях.

¶По рассеиваемой мощности и частоте

• Маломощные низкочастотные — для усиления аудиосигналов, логических операций.
• Мощные (силовые) — токи до сотен ампер, напряжения до тысяч вольт. Используются в преобразователях напряжения, электроприводах, инверторах.
• Высокочастотные и СВЧ — частота работы до десятков гигагерц (для цифровых схем) и до сотен гигагерц (для аналоговых).

¶Устройство и принцип работы

¶Биполярный транзистор

Состоит из трёх областей (слоёв) полупроводника с чередующимся типом проводимости. В структуре n-p-n крайние слои (эмиттер и коллектор) имеют электронную проводимость, а средний слой (база) — дырочную. При подаче небольшого прямого смещения на переход эмиттер-база электроны из эмиттера инжектируются в базу. Так как база тонкая и слабо легирована, большинство электронов достигает коллекторного перехода, смещённого в обратном направлении. Возникающий ток коллектора пропорционален току базы, что обеспечивает усиление по току (коэффициент β, обычно от 20 до 1000).

¶Полевой транзистор (MOSFET)

Состоит из подложки (кремний), двух высоколегированных областей — истока и стока, и тонкого слоя изолятора (диоксид кремния), на который нанесён металлический или поликремниевый затвор. При подаче напряжения на затвор относительно истока, превышающего пороговое значение, под изолятором образуется проводящий канал, соединяющий исток со стоком. Ток через канал управляется напряжением на затворе, потребляя пренебрежимо малый ток управления (в статике). В режиме насыщения MOSFET работает как усилитель; в ключевом режиме его сопротивление при открытом канале может составлять единицы миллиом.

¶Параметры и характеристики

Основные электрические параметры транзисторов включают:

• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (сток-исток).
• Максимальный ток коллектора (стока).
• Максимальная рассеиваемая мощность.
• Коэффициент усиления по току (для BJT) или крутизна (для FET).
• Граничная частота (частота, на которой коэффициент усиления падает до 1).
• Выходная емкость — влияет на скорость переключения.
• Сопротивление открытого канала (для MOSFET) — определяет потери в ключевом режиме.

¶Применение

Транзисторы используются повсеместно. Ключевые области применения включают:

• Цифровая электроника — вентили, триггеры, регистры, процессоры и микроконтроллеры строятся на базе КМОП-транзисторов. Современные микросхемы содержат миллиарды транзисторов на одном кристалле.
• Аналоговые усилители — от звуковых усилителей мощности до операционных усилителей и усилителей радиосигналов.
• Источники питания — импульсные преобразователи, стабилизаторы напряжения, зарядные устройства.
• Силовая электроника — частотные преобразователи для электродвигателей, сварочные инверторы, электроприводы транспорта, системы электропитания мощных вычислительных кластеров.
• Радиочастотные схемы — генераторы, смесители, усилители в радиопередатчиках и приёмниках (включая сотовые телефоны, Wi-Fi, Bluetooth).
• Автомобильная электроника — системы управления двигателем, блоки предохранителей (силовые ключи), фары, системы безопасности (ABS, ESP).
• Медицина — слуховые аппараты, кардиостимуляторы, диагностические приборы.

¶Технологические ограничения и современные тенденции

С уменьшением технологического размера транзисторов (в современных процессорах — единицы нанометров) возникают фундаментальные проблемы: увеличение токов утечки, снижение управляющего напряжения (до долей вольта), тепловыделение, ограничения по быстродействию из-за паразитных ёмкостей. Для преодоления этих ограничений разрабатываются новые структуры:

• FinFET (транзисторы с трёхмерным затвором, охватывающим канал с двух или трёх сторон) — замена классическим планарным MOSFET.
• Gate-all-around (GAA) — транзисторы с круговым затвором, позволяющие ещё сильнее уменьшить размеры.
• Двумерные материалы — графен, дисульфид молибдена — рассматриваются как потенциальная основа для посткремниевой электроники.
• Углеродные нанотрубки — перспективные для создания ультратонких транзисторов с высоким быстродействием.

Несмотря на постоянное совершенствование, транзисторная архитектура остаётся основой всей современной цифровой обработки данных, и прогнозируется, что в ближайшие десятилетия она сохранит доминирующее положение.

¶Интересные факты

• Первый транзистор в 1947 году был выполнен в виде пластины германия, к которой приклеивались две золотые фольги, разрезанные бритвой. Размер всей конструкции составлял около 2 см.
• К 2023 году количество произведённых транзисторов (с учётом всех интегральных схем) превысило оценку в 10²² (10 секстиллионов) — это в миллиарды раз больше, чем количество муравьёв на Земле.
• Производственная норма в микроэлектронике: стоимость одного транзистора за последние 50 лет снизилась примерно в 100 000 раз.
• Закон Мура (названный в честь сооснователя Intel Гордона Мура), предсказывавший удвоение количества транзисторов в процессоре каждые два года, в целом выполнялся с 1960‑х до конца 2010‑х годов, однако в последние годы темпы замедлились из-за физических ограничений.
• Дискретный кремниевый транзистор, пролежавший несколько десятилетий в герметичном корпусе, практически не теряет свойств — его срок хранения оценивается в столетия.

¶Источники

• Bardeen, J., Brattain, W. H. (1948). «The Transistor, A Semi-Conductor Triode». Physical Review.
• Shockley, W. (1949). «The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors». Bell System Technical Journal.
• Millman, J., Halkias, C. (1972). «Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems». McGraw-Hill.
• Sze, S. M., Ng, K. K. (2006). «Physics of Semiconductor Devices», 3rd Edition. Wiley-Interscience.
• Moore, G. E. (1965). «Cramming More Components onto Integrated Circuits». Electronics Magazine.
• ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), различные выпуски 2000–2020 гг.