Kaiken kaikkiaan vaihdettavat lohkot vastaanottimessa ja heidän mahdollisia vaihtoehtoja Käytettiin vain germaniumtransistoreja, pääasiassa rakenteita p-n-p. Vain muuntajattoman vahvistimen push-pull-lähtövaiheessa äänitaajuus(lohko 5) yhdellä sen transistoreista oli rakenne n-p-n. Germaniumtransistorit ovat jo pitkään saavuttaneet suosiota radioamatöörien keskuudessa, ja ne käyttävät niitä laajasti suunnitelluissa laitteissa. Lisäksi niiden hintoja on viime aikoina alennettu merkittävästi.

Mutta nykyään germaniumtransistorit, koska ne ovat lupaamattomia, väistyvät yhä enemmän radiolaitteissa, mukaan lukien amatööriradiolaitteissa, piitransistoreille. Tämä selittyy sillä, että piitransistoreihin perustuvat instrumentit ja laitteet toimivat erilaisia ​​ehtoja vakaampi. Tähän voidaan lisätä, että piitransistorien tuotanto kasvaa jatkuvasti, kun taas germaniumtransistorien tuotanto vähenee.

Tältä osin sinulla voi olla kysymys: onko mahdollista korvata germaniumtransistorit piitransistoreilla kuvatun vastaanottimen vaihdettavissa lohkoissa? Se on mahdollista, mutta tietysti ottaen huomioon jotkin niiden ominaisuudet.

Useimmat ominaispiirre Piitransistoreilla on suurempi bias-jännite, jolla ne käynnistyvät. Germaniumtransistorit, kuten tiedätte, avautuvat, kun jännite emitterissä r-p siirtymä 0,1... 0,2 V ja silikoni 0,6... 0,7 V jännitteellä. Tämä tarkoittaa, että vahvistustilassa toimivan piitransistorin perusteella emitteriin nähden pitää olla vähintään 0,6 V. Pieni esijännite, piitransistori vääristää vahvistettua signaalia. Tämä piitransistorin ensimmäinen toimintatapa muodostetaan, kuten germaniumtransistorin, valitsemalla asianmukaisesti vastuksen arvo peruspiirissä.

Riisi. 47. Äänivahvistinpiiri (lohko 6) piitransistoreilla

Useimmilla piitransistoreilla on rakenne n-p-n. Tämä tarkoittaa, että germaniumin korvaaminen lohkoissa p-n-p transistorit piillä n-p-n Transistorien ei tarvitse muuttaa vain virtalähteen napaisuutta, vaan myös elektrolyyttikondensaattorien napaisuutta.

Tämä on itse asiassa tärkein asia, joka on pidettävä mielessä, kun germaniumtransistorit korvataan piitransistoreilla. Mitä tulee lohkojen ja virtalähteen jännitteiden piirikaavioiden rakentamiseen, ne eivät periaatteessa muutu.

Esimerkiksi kuvassa. Kuvassa 47 on kaavio lohkosta 6 - sama muuntajaton audiovahvistin, mutta piitransistoreilla. Miten se eroaa germaniumtransistoreja käyttävästä lohkopiiristä (katso kuva 38)? Pääasiassa virtalähteen ja elektrolyyttikondensaattorien napaisuuden perusteella. Transistorit 6 V1, 6V2 Ja 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, transistori toimintatila 6 V1 asennetaan valitsemalla vastus 6 R1. Jännite transistorilähettimien risteyspisteessä 6 V3 Ja 6 V4(push-pull-lähtöasteen symmetriapiste), joka on puolet virtalähteen jännitteestä, asetetaan valitsemalla vastus 6 R4, a transistorin kollektoripiirin virta 6 V3, yhtä suuri kuin 3...4 mA, valitsemalla vastus 6 R7.

Kiinnitä huomiota vastuksen sisällyttämiseen 6 R6 ja dynaaminen pää 1B1. Kuvatussa 1! blokki germaniumtransistoreissa, tällainen vastus kytkettiin suoraan negatiiviseen ja pää virtalähteen positiivisiin johtimiin. Ja tässä pää on kytketty virtalähteen positiiviseen johtimeen, joten elektrolyyttikondensaattorin napaisuus on muuttunut 6S5, ja vastus 6 R6 kytketty pään ja tämän kondensaattorin väliseen liitäntäpisteeseen. Tällä menetelmällä, jolla tämä vastus kytketään sen kautta lähtöpiiristä lähtöasteen transistorien peruspiiriin, syötetään niin kutsuttu jännitteen lisäys - pieni äänitaajuusjännite, joka tasoittaa transistorien toimintaolosuhteet.

Kaikissa lohkoissa korkeataajuisen ja matalataajuisen pienen tehon sijaan p-n-p transistorit ovat parasta käyttää n-p-n KT315-sarjan transistorit, joiden staattinen virransiirtokerroin on 80...100 sen sijaan n-p-n transistori lohkossa 6 (MP37) - p-n-p transistori KT361-sarjasta. Suuritehoisen äänivahvistimen lähtövaiheessa (kuva 40) p-n-p transistorit-P602 voidaan vaihtaa n-p-n transistorit K.T601, KT602, KT603 millä tahansa? kirjainhakemisto.

Ennen kuin aloitat tietyn lohkon asennuksen, säädä sitä kaavamainen kaavio ottaen huomioon tässä annetut suositukset. Tämä estää virheet ja jopa mahdolliset transistorien vauriot.

Sitä pidetään perustellusti yhtenä 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä. transistorin keksintö, joka korvasi tyhjiöputket.

Lamput olivat pitkään ainoa aktiivinen komponentti radioelektroniset laitteet, vaikka niissä oli monia puutteita. Ensinnäkin nämä ovat suuri virrankulutus, suuret mitat, lyhyt käyttöikä ja alhainen mekaaninen lujuus. Nämä puutteet tuntuivat yhä voimakkaammin elektronisten laitteiden parantuessa ja monimutkaisemmiksi.

Radiotekniikassa tapahtui vallankumouksellinen vallankumous, kun vanhentuneet lamput korvattiin puolijohdevahvistuslaitteilla - transistoreilla, joilla ei ollut kaikkia mainittuja haittoja.

Ensimmäinen toimiva transistori syntyi vuonna 1947 amerikkalaisen Bell Telephone Laboratoriesin työntekijöiden ponnistelujen ansiosta.

Heidän nimensä tunnetaan nykyään kaikkialla maailmassa. Nämä ovat tiedemiehiä - fyysikot W. Shockley, D. Bardeen ja W. Brighten. Jo vuonna 1956 kaikille kolmelle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto tästä keksinnöstä. Mutta kuten monet suuret keksinnöt, transistoria ei huomattu heti. Vain yksi amerikkalaisista sanomalehdistä mainitsi, että Bell Telephone Laboratories esitteli luomaansa laitetta nimeltä transistori. Siellä sanottiin myös, että sitä voidaan käyttää sen sijaan joillakin sähkötekniikan aloilla.

tyhjiöputket

Esitetty transistori oli pienen, 13 mm pitkän metallisylinterin muodossa ja se esitettiin vastaanottimessa, jossa ei ollut tyhjiöputkia. Lisäksi yritys vakuutti, että laitetta voidaan käyttää paitsi vahvistamiseen myös sähköisen signaalin tuottamiseen tai muuntamiseen.

Riisi. 1. Ensimmäinen transistori

Riisi. 2. John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain. He jakoivat vuoden 1956 Nobel-palkinnon yhteistyöstään maailman ensimmäisen toimivan transistorin kehittämisessä vuonna 1948.

Mutta transistorin ominaisuuksia, kuten monia muitakin suuria löytöjä, ei heti ymmärretty ja arvostettu. Herättääkseen kiinnostusta uutta laitetta kohtaan Bell mainosti sitä voimakkaasti seminaareissa ja artikkeleissa ja myönsi kaikille lisenssejä sen tuotantoon. Elektroniikkaputkien valmistajat eivät pitäneet transistoria vakavana kilpailijana, koska oli mahdotonta heti, yhdellä iskulla luopua useiden satojen mallien ja useiden miljoonien dollarien putkien tuotannon 30 vuoden historiasta. käteissijoituksia

niiden kehittämisessä ja tuotannossa. Siksi transistori ei tullut elektroniikkaan niin nopeasti, koska tyhjiöputkien aikakausi oli edelleen käynnissä.

Riisi. 3. Transistori ja tyhjiöputki

Muinaisista ajoista lähtien sähkötekniikka on käyttänyt pääasiassa kahdentyyppisiä materiaaleja - johtimia ja dielektrisiä (eristimiä). Metalleilla, suolaliuoksilla ja joillakin kaasuilla on kyky johtaa virtaa. Tämä kyky johtuu vapaiden varauskantajien - elektronien - läsnäolosta johtimissa. Johtimissa elektronit erotetaan melko helposti atomista, mutta siirtoa varten sähköenergiaa Sopivimpia metalleja ovat matalavastus (kupari, alumiini, hopea, kulta).

Eristeet ovat aineita, joilla on suuri vastus, ja niiden elektronit ovat erittäin tiukasti sidottu atomiin. Näitä ovat posliini, lasi, kumi, keramiikka, muovi. Siksi ilmaiset maksut Näissä aineissa ei ole sähkövirtaa, eikä myöskään sähkövirtaa.

Tässä on aiheellista palauttaa mieleen fysiikan oppikirjojen muotoilu, joka sähkövirta tämä on sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä sähkökentän vaikutuksesta. Eristimissä ei yksinkertaisesti ole mitään liikkuvaa sähkökentän vaikutuksen alaisena.

Kuitenkin tutkiessaan sähköilmiöitä eri materiaaleista jotkut tutkijat onnistuivat "tuntemaan" puolijohdevaikutuksia. Esimerkiksi saksalainen fyysikko Karl Ferdinand Braun loi ensimmäisen kideilmaisimen (diodi) vuonna 1874 lyijyn ja rikkikiisun kosketukseen perustuen. (Pyriitti on rautapyriitti; kun se osuu tuoliin, iskee kipinä, minkä vuoksi se sai nimensä kreikan sanasta "pyr" - tuli). Myöhemmin tämä ilmaisin korvasi onnistuneesti kohererin ensimmäisissä vastaanottimissa, mikä lisäsi merkittävästi niiden herkkyyttä.

Vuonna 1907 Boeddeker, tutkiessaan kuparijodidin johtavuutta, havaitsi, että sen johtavuus kasvaa 24 kertaa jodiepäpuhtauksien läsnä ollessa, vaikka jodi itse ei ole johdin. Mutta kaikki nämä olivat satunnaisia ​​löytöjä, joita ei voitu tieteellisesti perustella. Puolijohteiden systemaattinen tutkimus alkoi vasta vuosina 1920-1930.

Transistorien tuotannon alkuaikoina tärkein puolijohde oli germanium (Ge). Energiankulutuksen kannalta se on erittäin taloudellinen, sen pn-liitoksen avausjännite on vain 0,1 ... 0,3 V, mutta monet parametrit ovat epävakaita, joten sen tilalle tuli pii (Si).

Lämpötila, jossa germaniumtransistorit toimivat, on korkeintaan 60 astetta, kun taas piitransistorit voivat jatkaa toimintaansa 150 asteessa. Pii on puolijohteena parempi kuin germanium muilta ominaisuuksiltaan, pääasiassa taajuudella.

Lisäksi piivarannot (tavallinen hiekkaranta hiekka) luonnossa ovat rajattomat, ja sen puhdistus- ja käsittelytekniikka on yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin luonnossa harvinainen alkuaine germanium. Ensimmäinen piitransistori ilmestyi pian ensimmäisen germaniumtransistori - vuonna 1954. Tästä tapahtumasta syntyi jopa uusi nimi "piikausi", jota ei pidä sekoittaa kivikauteen!

Riisi. 4. Transistorien evoluutio

Mikroprosessorit ja puolijohteet. "Piiajan" taantuminen

Oletko koskaan miettinyt miksi viime aikoina Onko lähes kaikista tietokoneista tullut moniytimiä? Termit dual-core tai quad-core ovat kaikkien huulilla. Tosiasia on, että mikroprosessorien suorituskyky kasvaa lisäämällä kellotaajuus, ja yhden pakkauksen transistorien määrän kasvu piirakenteissa on lähes lähestynyt rajaa.

Puolijohteiden määrän lisääminen yhdessä paketissa saavutetaan vähentämällä niitä fyysiset mitat. Vuonna 2011 INTEL-yhtiö on jo kehittänyt 32 nm prosessiteknologian, jossa transistorin kanavan pituus on vain 20 nm. Tällainen vähennys ei kuitenkaan lisää kellotaajuutta merkittävästi, kuten tapahtui 90 nm:n teknologioihin asti. On täysin selvää, että on aika siirtyä johonkin täysin uuteen.

Transistori(transistori) - puolijohdeelementti kolmella tapilla (yleensä), joista yksi ( keräilijä) syötetään voimakasta virtaa ja toinen ( pohja) palveli heikosti ( ohjausvirta). Tietyllä ohjausvirran voimakkuudella on kuin venttiili "aukeutuu" ja virta keräilijältä alkaa virrata päällä kolmas lähtö ( säteilijä).

Eli transistori on eräänlainen venttiili, joka tietyllä virranvoimakkuudella vähentää jyrkästi vastusta ja lähettää virran edelleen (kollektorista emitteriin). ympyrässä. Jos kantaan ei syötetä sähkövirtaa, transistori on tasapainossa eikä siirrä virtaa emitteriin.

Nykyaikaisissa elektronisissa siruissa transistorien määrä lukuja miljardeissa. Niitä käytetään ensisijaisesti laskelmiin ja ne koostuvat monimutkaisista yhteyksistä.

Transistoreissa pääasiassa käytettyjä puolijohdemateriaaleja ovat: piitä, galliumarsenidi Ja germanium. On myös transistoreita hiilinanoputkia, läpinäkyvä näyttöjä varten LCD Ja polymeeri(lupaavin).

Transistorien tyypit:

Kaksisuuntainen mieliala– transistorit, joissa varauksenkantajat voivat olla sekä elektroneja että "reikiä". Virta voi virrata kuten lähetintä kohti, niin keräilijää kohti. Virtauksen ohjaamiseen käytetään tiettyjä ohjausvirtoja.

– laajalle levinneitä laitteita, joissa sähkövirtaa ohjataan sähkökentän kautta. Toisin sanoen, kun muodostuu suurempi kenttä, se sieppaa enemmän elektroneja, eivätkä ne voi siirtää varauksia eteenpäin. Eli tämä on eräänlainen venttiili, joka voi muuttaa siirretyn varauksen määrää (jos kenttätransistoria ohjataan p-n— siirtyminen). Erottuva ominaisuus Näillä transistoreilla on korkea tulojännite ja korkea jännitevahvistus.

Yhdistetty– transistorit yhdistetyillä vastuksilla tai muut transistorit samassa kotelossa. Ne palvelevat eri tarkoituksia, mutta pääasiassa lisäämään nykyistä voittoa.

Alatyypit:

Biotransistorit– perustuvat biologisiin polymeereihin, joita voidaan käyttää lääketieteessä ja bioteknologiassa vahingoittamatta eläviä organismeja. Metalloproteiineja, klorofylli A:ta (joka on peräisin pinaatista) ja tupakan mosaiikkivirusta on tutkittu.

Yksielektroniset transistorit– venäläiset tutkijat loivat ne ensimmäisen kerran vuonna 1996. Voisi työskennellä klo huoneen lämpötila toisin kuin edeltäjänsä. Toimintaperiaate on samanlainen kuin kenttätransistorin, mutta hienovaraisempi. Signaalin lähetin on yksi tai useampi elektroni. Tätä transistoria kutsutaan myös nano- ja kvanttitransistoriksi. Tämän tekniikan avulla he toivovat tulevaisuudessa luovansa kokoisia transistoreita alle 10 nm, perusteella grafeeni.

Mihin transistoreja käytetään?

Transistoreja käytetään mm vahvistuspiirit, lamput, sähkömoottorit ja muut laitteet tarvittaessa nopea muutos ampeeri tai asema päälläpois. Transistori voi rajoittaa virtaa tai sujuvasti tai menetelmällä pulssi—tauko. Toista käytetään useammin -ohjaukseen. Voimakkaalla virtalähteellä se johtaa sen itsensä läpi sääteleen sitä heikolla virralla.

Jos virta ei riitä transistoripiirin käynnistämiseen, käytä sitä useita transistoreita suuremmalla herkkyydellä, kytkettynä kaskadi tavalla.

Tehokkaat transistorit, jotka on kytketty yhteen tai useampaan pakkaukseen, käytetään kokonaan digitaaliset vahvistimet perustuu . He tarvitsevat usein lisäjäähdytys . Useimmissa järjestelmissä ne toimivat näppäintila(kytkintilassa).

Myös transistoreja käytetään sähköjärjestelmissä, sekä digitaalinen että analoginen ( emolevyt , videokortit, virtalähteet&jne).

Keski prosessorit, koostuvat myös miljoonista ja miljardeista transistoreista, jotka on kytketty tietyssä järjestyksessä erikoistuneita varten laskelmat.

Jokainen transistoriryhmä koodaa signaalin tietyllä tavalla ja lähettää sen edelleen käsittelyä varten. Kaikki tyypit ja ROM muistit koostuvat myös transistoreista.

Kaikki mikroelektroniikan saavutuksia olisi käytännössä mahdotonta ilman transistorien keksintöä ja käyttöä. On vaikea kuvitella ainakin yhtä elektronista laitetta ilman vähintään yhtä transistoria.

• Käännös

Esityksenä konseptin toimivuudesta kirjoittaja ja hänen tiiminsä loivat germanium-substraatteja eristimelle luodakseen invertterit, jotka sisälsivät ensin tasotransistoreja ja sitten FinFET-transistoreita.

Melkein 70 vuotta sitten kaksi Bell Telephone Laboratoryn fyysikkoa – John Bardeen ja Walter Brattain – puristivat kaksi ohutta kultakosketinta germaniumkiekolle ja tekivät kolmannen kosketuksen kiekon pohjalle. Tämän rakenteen läpi kulkevaa virtaa voitaisiin käyttää muuntamiseen heikko signaali vahvassa. Tuloksena oli ensimmäinen transistorivahvistin ja kytkin, joista saattoi tulla suurin keksintö 1900-luvulla. Mooren lain ansiosta transistori on edistynyt tietokoneissa paljon enemmän kuin mikä näytti mahdolliselta 1950-luvulla.

Huolimatta germaniumin tärkeästä roolista transistorien varhaisessa historiassa, se korvattiin pian piillä. Mutta nyt yllättäen tämä materiaali on valmis tekemään paluun. Siruteollisuuden johtajat harkitsevat komponenttien vaihtamista transistorin sydämessä - virtaa kuljettavassa kanavassa. Ajatuksena on korvata pii materiaalilla, joka johtaa virtaa paremmin. Transistorien luominen näillä kanavilla voisi auttaa insinöörejä parantamaan piirin nopeutta ja tehokkuutta, mikä johtaa parempiin tietokoneisiin, älypuhelimiin ja moniin muihin vempaimiin tulevina vuosina.

Pitkästä aikaa kiinnostunut vaihtoehtoisia kanavia Pyörii A III B V -yhdisteiden, kuten galliumarsenidin, ympärillä, joka koostuu atomeista jaksollisessa taulukossa piin vasemmalla ja oikealla puolella. Ja osallistuin siihen tutkimukseen. Kahdeksan vuotta sitten hahmottelin edistystä transistorien rakentamisessa tällaisia ​​yhteyksiä käyttämällä.

FinFET-invertterin kahdessa transistorissa on eväkanavia, jotka ulkonevat substraatin tasosta (ylhäällä - vaaleanpunaiset kanavat, alla - vino kuva toisesta sarjasta). Ylhäällä olevien "evien" väliset etäisyydet ovat kymmeniä nanometrejä.

Mutta tuloksena huomasimme, että A III B V -lähestymistavalla on perustavanlaatuisia fyysisiä rajoituksia. Se olisi myös todennäköisesti liian kallista ja monimutkaista integroida olemassa olevaan piiteknologiaan. Joten muutama vuosi sitten Purduen yliopiston tiimini alkoi kokeilla eri laitetta: transistoria, jonka kanava on valmistettu germaniumista. Siitä lähtien olemme osoittaneet ensimmäiset CMOS-piirit (komplementaariset metallioksidi-puolijohde) -piirit. Suunnilleen sama logiikka kuin sisällä nykyaikaiset tietokoneet, valmistettu vain germaniumista, joka on kasvatettu tavanomaisilla piisubstraateilla. Olemme myös luoneet tästä materiaalista useita erilaisia ​​transistoriarkkitehtuureja. Näitä ovat nanolankalaitteet, jotka voivat olla valmistuksen seuraava askel, kun nykypäivän parhaita transistoreita, FinFETtejä, ei enää voida pienentää.

Ja mikä vielä mielenkiintoisempaa, on, että käy ilmi, ettei germaniumin saaminen takaisin käyttöön ole niin vaikeaa kuin miltä näyttää. Transistorit, jotka käyttävät kanavassa piin ja germaniumin yhdistelmää, löytyvät jo uusista siruista, ja ne ilmestyivät ensimmäisen kerran vuonna 2015 IBM:n tulevaisuuden sirutekniikoiden esittelyssä. Tämä kehitys voisi olla ensimmäinen askel teollisuudessa, joka haluaa tuoda yhä suurempia määriä germaniumia kanaviin. Muutaman vuoden kuluttua saatamme huomata, että materiaali, joka antoi meille transistorit, auttoi niitä viemään ne seuraavalle poikkeuksellisen suorituskyvyn aikakaudelle.

Germaniumin eristi ja löysi ensimmäisen kerran saksalainen kemisti Clemens Winkler 1800-luvun lopulla. Materiaali on nimetty tiedemiehen kotimaan mukaan, ja sitä on aina pidetty huonona virranjohtimena. Tämä muuttui toisen maailmansodan aikana, kun germaniumin puolijohtavat ominaisuudet – eli kyky vaihtaa johtavan ja estävän virran välillä – löydettiin. Sodan jälkeisinä vuosina germaniumiin perustuvat puolijohdelaitteet kehittyivät nopeasti. Yhdysvalloissa tuotanto markkinoiden vaatimuksiin vastaten kasvoi muutamasta sadasta punnista vuonna 1946 45 tonniin vuoteen 1960 mennessä. Mutta pii voitti; siitä on tullut suosittu logiikka- ja muistisirujen materiaali.

Ja piin hallitsevalle asemalle on hyvät syyt. Ensinnäkin sitä on enemmän ja se on halvempaa. Piillä on leveämpi bandrap, energiaeste, joka on ylitettävä johtavuuden luomiseksi. Mitä suurempi tämä vyöhyke, sitä vaikeampaa on virran vuotaminen laitteen läpi tarpeettomalla hetkellä ja energian hukkaaminen. Bonuksena piillä oli myös parempi lämmönjohtavuus, mikä helpotti lämmön hajauttamista, jotta piirit eivät ylikuumentuneet.

Kaikki edut huomioon ottaen on luonnollista ihmetellä, miksi edes harkitsisimme germaniumin palauttamista kanavaan. Vastaus on liikkuvuus. Germaniumin elektronit liikkuvat huoneenlämmössä lähes kolme kertaa helpommin kuin piissä. Ja reiät – elektronin puuttuminen materiaalista, jota pidetään positiivisena varauksena – liikkuvat lähes neljä kertaa halukkaammin.

Yhdeksänvaiheinen CMOS-rengasoskillaattori esiteltiin vuonna 2015

Se, että elektronit ja reiät ovat niin liikkuvia germaniumissa, tekee siitä kätevän ehdokkaan CMOS-piireihin. CMOS yhdistää kaksi eri tyyppejä transistorit: p-kanava FET (pFET), jonka kanava sisältää ylimäärän vapaita reikiä, ja n-kanavainen FET (nFET), jossa on ylimäärä elektroneja. Mitä nopeammin ne liikkuvat, sitä nopeammin piirit toimivat. Ja niiden siirtämiseen tarvittavan jännitteen vähentäminen tarkoittaa energiankulutuksen vähentämistä.

Germanium ei tietenkään ole ainoa materiaali, jolla on tällainen hiukkasten liikkuvuus. Aiemmin mainituilla A III B V -yhdisteillä, materiaaleilla, kuten indiumarsenidilla ja galliumarsenidilla, on myös korkea elektronien liikkuvuus. Indiumarsenidissa olevat elektronit ovat lähes 30 kertaa liikkuvampia kuin piissä. Mutta ongelmana on, että tämä ominaisuus ei koske reikiä - ne eivät ole paljon liikkuvampia kuin piistä löytyvät. Ja tämä rajoitus tekee nopeiden pFETien luomisen mahdottomaksi, ja nopeiden pFETien puute estää nopeiden CMOS-piirien tuotannon, koska ne eivät voi toimia kovin suurella erolla nFET:ien ja pFETien toimintanopeuksissa.

Yksi ratkaisu on ottaa paras jokaisesta materiaalista. Tutkijat monissa laboratorioissa, kuten European Semiconductor Research Organisation Imec ja IBM Zurich Laboratory, ovat osoittaneet tapoja luoda piirejä, joissa nFET-kanavat on valmistettu A III B V -yhdisteistä ja pFET-kanavat germaniumista. Ja vaikka tämä tekniikka mahdollistaa erittäin nopeita piirejä, se lisää merkittävästi tuotantoon monimutkaista.

Siksi pidämme parempana yksinkertaista lähestymistapaa germaniumin kanssa. Germaniumkanavien pitäisi parantaa suorituskykyä, eivätkä tuotantoongelmat ole yhtä vakavia.

Miten Saksalla menee?

Jotta germanium - tai mikä tahansa vaihtoehtoinen materiaali - saataisiin tuotantoon, on löydettävä tapa lisätä se nykyisin sirujen valmistukseen käytettäviin piikiekoihin. Onneksi on olemassa monia tapoja kerrostaa germaniumkerros piisubstraatille, jota voidaan sitten käyttää kanavien tekemiseen. Ohuen kerroksen käyttö eliminoi germaniumin kaksi keskeistä ongelmaa - sen korkeat kustannukset piihin verrattuna ja suhteellisen huono lämmönjohtavuus.

Mutta transistorin piin korvaamiseksi ei riitä pelkkä ohuen, korkealaatuisen germaniumkerroksen työntäminen. Kanavan tulee toimia moitteettomasti transistorin muiden komponenttien kanssa.

Kaikkialla läsnä olevat modernit CMOS-sirut käyttävät MOS-pohjaisia ​​transistoreita (metallioksidi-puolijohde-kenttätehotransistori - MOSFET). Siinä on neljä perusosaa. Lähde ja viemäri – virran liikkeen alku- ja loppupisteet; kanava, joka yhdistää ne; portti, joka toimii venttiilinä, joka ohjaa virran läsnäoloa kanavassa.

Todellisuudessa laadukas transistori sisältää myös muita ainesosia. Yksi tärkeimmistä on portin eriste, joka estää oikosulku portti ja kanava. Puolijohteiden, kuten piin, germaniumin ja yhdisteiden A III B V atomit on järjestetty kolmeen ulottuvuuteen. Täysin tasaista pintaa ei voida tehdä, joten kanavan yläosassa olevissa atomeissa on useita ulkonevia sidoksia. Tarvitset eristeen, joka sitoo mahdollisimman monta näistä sidoksista, ja tätä prosessia kutsutaan passivoimiseksi tai pinnan etsaukseksi. Huonosti tehtynä voit päätyä kanavaan, jossa on ”sähkökuoppia”, täynnä paikkoja, joihin varauksenkantajat voivat jäädä tilapäisesti loukkuun, mikä heikentää niiden liikkuvuutta ja sen seurauksena laitteen nopeutta.

Vasemmalla: A III B V nFET ja germanium pFET, molempien materiaalien palaset, jotka on kasvatettu eristetylle piisubstraatille.
Oikealla: Molemmat transistorit on valmistettu germaniumista, joka on liimattu alustaan.

Onneksi luonto on tarjonnut piille sen kiderakenteeseen hyvin sopivan luonnollisen eristeen: piidioksidin (SiO2). Ja vaikka eksoottisempia eristeitä löytyy nykyaikaisista transistoreista, ne sisältävät silti ohuen kerroksen tätä oksidia, joka palvelee piikanavan passivointia. Koska pii ja SiO 2 ovat rakenteeltaan samanlaisia, hyvin tehty SiO 2 -kerros sitoo 99 999 100 000 vapaasta sidoksesta - ja noin paljon vapaita sidoksia on piin neliösenttimetriä kohden.

Galliumarsenidissa ja muissa A III B V -yhdisteissä ei ole luonnollisia oksideja, mutta germaniumissa on - joten teoriassa sen pitäisi olla ihanteellinen materiaali kanavien passivointiin. Ongelmana on, että germaniumdioksidi (GeO 2 ) on heikompaa kuin SiO 2 ja se voi imeytyä ja liuottaa substraattien puhdistukseen käytettyyn veteen lastun valmistuksen aikana. Vielä pahempaa on, että GeO 2:n kasvuprosessia on vaikea hallita. Ihanteellinen laite vaatii 1-2 nm paksun GeO 2 -kerroksen, mutta todellisuudessa on vaikeampaa tehdä 20 nm ohuempaa kerrosta.

Tutkijat ovat tutkineet erilaisia ​​vaihtoehtoja. Stanfordin professori Krishna Saraswat ja hänen kollegansa, jotka herättivät kiinnostusta germaniumin käyttöön vaihtoehtoisena materiaalina jo 2000-luvulla, tutkivat ensin zirkoniumoksidia, korkean dielektrisyysvakion materiaalia, jota käytetään nykyään nopeissa transistoreissa. Belgian Imecin tiimi tutki työnsä perusteella, mitä voitaisiin tehdä erittäin ohuella piikerroksella parantaakseen germaniumin ja vastaavien materiaalien välistä rajapintaa.

Mutta germaniumin passivointi parani huomattavasti vuonna 2011, kun professori Shinichi Takagin tiimi Tokion yliopistossa osoitti tavan hallita germaniumeristeen kasvua. Ensin tutkijat kasvattivat nanometrikerroksen toista eristettä, alumiinioksidia, germaniumkanavalle. Tämän jälkeen ne asetettiin happikammioon. Osa hapesta kulki alumiinioksidikerroksen läpi alla olevaan germaniumiin ja sekoittui sen kanssa muodostaen ohuen oksidikerroksen (germaniumyhdiste hapen kanssa, mutta teknisesti ei GeO 2). Alumiinioksidi ei vain auta hallitsemaan kasvua, vaan myös palvelee suojaava pinnoite vähemmän stabiilia kerrosta varten.

Nanowire-kanavat

Useita vuosia sitten tämän löydön innoittamana ja ottaen huomioon vaikeudet luoda pFET:itä A III B V -kanavilla, ryhmäni Purduessa alkoi tutkia tapoja luoda transistoreita germaniumkanavien avulla. Aloitimme käyttämällä ranskalaisen Soitecin kehittämiä germanium-on-eriste-alustoja. Nämä ovat tavallisia piisubstraatteja, joissa eristävä kerros sijaitsee 100 nm:n germaniumkerroksen alla.

Näillä substraateilla on mahdollista luoda transistoreita, joissa kaikki vakio-osat - lähde, kanava ja viemäri - on valmistettu germaniumista. Transistorin valmistajan ei tarvitse noudattaa tätä mallia, mutta se helpotti germaniumlaitteiden perusominaisuuksien tutkimista.

Yksi ensimmäisistä esteistä oli kamppailu transistorin lähteen ja nielun sekä niitä yhdistävien metallielektrodien välisen vastuksen kanssa. ulkomaailmaan. Resistanssi syntyy luonnollisesta elektronisesta Schottky-esteestä, joka esiintyy metallin ja puolijohteen kosketuspisteessä. Piitransistorit on väsymättä optimoitu tämän esteen minimoimiseksi, jotta varauksenkantajat voivat helposti ylittää sen. Mutta germaniumlaite vaatii joitain älykkäitä teknisiä ratkaisuja. Elektronisen rakenteen vivahteiden ansiosta reiät siirtyvät helposti metallista germaniumiin, mutta elektronit eivät niin paljon. Tämä tarkoittaa, että nFET:eillä, jotka riippuvat elektronien liikkeistä, on erittäin korkea vastus, lämpöhäviö ja virtahäviö.

Tavallinen tapa ohentaa sulkua on lisätä lisäainetta lähteeseen ja viemäriin. Prosessin fysiikka on monimutkainen, mutta se voidaan kuvitella näin: enemmän epäpuhtausatomeja tuo enemmän vapaita varauksia. Vapaiden varauksenkuljettajien runsauden ansiosta metallielektrodien ja puolijohdelähteen ja -nielun välinen sähköinen vuorovaikutus paranee. Tämä parantaa tunnelivaikutelmaa.

Valitettavasti tämä tekniikka toimii huonommin germaniumin kuin piin kanssa. Materiaali ei kestä suuria seostavien epäpuhtauksien pitoisuuksia. Mutta voimme käyttää niitä paikkoja, joissa epäpuhtauksien tiheys on suurin.

Tätä varten hyödynnämme sitä, että nykyaikaisiin puolijohteisiin lisätään epäpuhtauksia ultrakorkeilla sähkökentillä, jotka työntävät ioneja materiaaliin. Jotkut näistä atomeista pysähtyvät välittömästi, kun taas toiset tunkeutuvat syvemmälle. Tuloksena saat normaalijakauma: epäpuhtausatomien pitoisuus tietyssä syvyydessä on maksimaalinen, ja sitten siirryttäessä syvemmälle tai syvemmälle käänteinen suunta vähenee. Jos hautaamme lähde- ja nieluelektrodit puolijohteeseen, voimme sijoittaa ne sinne, missä epäpuhtausatomien pitoisuus on suurin. Tämä vähentää dramaattisesti kosketusvastuksen ongelmaa.

Koskettimet upotetaan epäpuhtausatomien enimmäispitoisuuden syvyyteen

Käyttävätkö siruvalmistajat tätä lähestymistapaa Schottky-esteen vähentämiseen Saksassa, se on hyödyllinen osoitus sen kyvyistä. Tutkimuksemme alussa paras, mitä germanium nFET:t osoittivat, oli 100 µA virrat per µm leveys. Vuonna 2014 VLSI Technology and Circuits Symposiumissa Havaijilla raportoimme germanium nFET:istä, jotka pystyvät kuljettamaan 10 kertaa enemmän virtaa, mikä on karkeasti verrattavissa piihin. Kuusi kuukautta myöhemmin esitimme ensimmäiset piirit, jotka sisälsivät germanium-nFET- ja pFET-piirit, jotka ovat välttämätön edellytys nykyaikaisten logiikkasirujen valmistamiselle.

Siitä lähtien olemme käyttäneet germaniumia kehittyneempien transistoreiden, kuten FinFETien, rakentamiseen - uusinta tekniikkaa. Teimme jopa germaniumista nanolankatransistoreita, jotka voisivat korvata FinFETit tulevina vuosina.

Nämä kehitystyöt ovat tarpeen, ennen kuin germaniumia voidaan käyttää massatuotannossa, koska se mahdollistaa transistorikanavan paremman ohjauksen. Pienen germaniumin kaistanvälin ansiosta tällainen transistori vaatii vain neljänneksen piitransistorin johtavaan tilaan siirtymiseen tarvittavasta energiasta. Tämä avaa mahdollisuuden matalaenergiakäyttöön, mutta tekee myös todennäköisemmäksi, että virta vuotaa, vaikka sen ei pitäisi. Paremmalla kanavaohjauksella varustetun laitteen avulla valmistajat voivat hyödyntää alhaista kaistaväliä suorituskyvystä tinkimättä.

Olemme tehneet hyvän alun, mutta meillä on vielä tehtävää. Esimerkiksi substraateilla tarvitaan lisää kokeita, jotta voidaan näyttää transistorit, joissa on korkealaatuisia germaniumkanavia. Suunnittelua on myös parannettava asioiden nopeuttamiseksi.

Germanium ei tietenkään ole ainoa vaihtoehto tuleville transistoreille. Tutkijat jatkavat A III B V -yhdisteiden tutkimista, joita voidaan käyttää sekä germaniumin kanssa että erikseen. Määrä mahdollisia parannuksia transistorit ovat valtavia. Tämä luettelo sisältää hiilinanoputkitransistorit, pystysuuntaiset kytkimet, kolmiulotteiset piirit, germaniumin ja tinan seoksesta valmistetut kanavat sekä perustuvat transistorit.

Tulevina vuosina saatamme mukauttaa joitain luetelluista teknologioista. Mutta germaniumin lisääminen - jopa piin kanssa sekoitettuna - on ratkaisu, jonka avulla valmistajat voivat jatkaa transistorien parantamista lähitulevaisuudessa. Germanium, puolijohteiden aikakauden perusmateriaali, voi olla ihmelääke sen seuraavalle vuosikymmenelle.

Tunnisteet:

• transistorit
• germanium

Lisää tunnisteita

Tällä hetkellä piikarbidiin perustuvia laitteita - suuritehoisia Schottky-diodeja ja MOSFET-transistoreja - käytetään yhä enemmän suuritehoisen muuntajatekniikan päälaitteina. Piikarbiditeknologia on tuonut merkittäviä parannuksia MOSFET-laitteiden valmistukseen, mikä tekee niistä pii-IGBT:n kilpailijoita erityisesti korkeajännitealueella.

Harkitse 1200 V 4H-SiC MOSFETiä. Tämä transistori käyttää korkealaatuista substraattia, parantaa epitaksiaalikerroksen laatua ja optimoi suunnittelun tuotantoprosessia varten. Myös nitridoinnin avulla kantajien liikkuvuus lisääntyy. Piikarbiditransistori on ylivoimainen piitransistoreihin verrattuna laajennetun kaistavälinsä ansiosta. Sähkökentän voimakkuus, jolla rikkoutuminen tapahtuu, on kasvanut 10-kertaiseksi, lämmönjohtavuus on parantunut ja sen seurauksena käyttölämpötilat ovat nousseet. Käytettäessä puolijohteita, joiden maksimikäyttöjännite on 600 V tai enemmän, piikarbidi on myös parempi kuin pi. Nykyään 600 V ja 1200 V piikarbidi Schottky-diodit ovat paras ratkaisu tehostusmuuntimissa. Piin PiN-diodeihin verrattuna pienemmät kytkentähäviöt.
Jos me puhumme virtakytkimien osalta pii-MOSFETit ovat huonompia kuin 600 ja 1200 V IGBT-transistorit ensisijaisesti kanavan merkittävän on-state-resistanssin (RDSON) vuoksi, joka kasvaa suhteessa maksimin neliöön. sallittu jännite tyhjennyslähde (VDSMAX). RDSON-resistanssia voidaan pitää RJFET- ja RDRIFT-resistanssien yhdistelmänä (kuva 1).

Kuva 1. DMOSFETin vastaava piiri.

Tässä tapauksessa vapaiden kantajien ajautumista heijastava vastus RDRIFT hallitsee ja sen arvo määräytyy seuraavan suhteen:

RDRIFT = d/qμND, missä d on drift-kerroksen paksuus; q on elektronin varaus; ND on dopingtekijä.

Uuden sukupolven piikarbidi-MOSFET-transistoreissa drift-kerroksen d paksuus pienenee noin 10 kertaa; kerrointa N D on korotettu samalla määrällä. Tämän seurauksena R DSONin vastus pienenee lähes 100 kertaa piivastikkeeseen verrattuna.

PIIKARBIDITRANSISTORIEN KÄYTTÖ

Laitteiden sovellus tämän tyyppistä Katsotaanpa esimerkkiä 1200 V, 20 A transistorista, jonka RDSON = 100 mOhm ja 15 V portin ohjaustaso. Sen lisäksi, että RDSON-resistanssi pienenee normaaleissa olosuhteissa, lämpötilan vaikutus piikarbiditransistoreissa vähenee merkittävästi. Alueella 25...150°C resistanssin muutos on vain 20 %, mikä on hyvin pieni arvo verrattuna pii-MOSFETien samaan arvoon 200 % tai jopa 300 %. Periaatteessa kovametalli - Vaikka suurin sallittu lämpötila sarjatransistorit (enimmäkseen TO-247 muovikoteloissa) on rajoitettu 150 °C:een piikarbiditransistorit voivat toimia yli 200 °C:n lämpötiloissa.
Pii-IGBT-transistoreihin verrattuna piikarbidi-MOSFET:illä on huomattavasti vähemmän tappioita vaihtamista varten. MOSFETit ovat unipolaarisia laitteita, joten niillä ei ole "pyrstöä" kytkennän aikana vähemmistökantoaaltojen resorption vuoksi. Taulukossa 1 on esitetty molempien transistorien kytkentähäviöarvot.

Parametri	IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 DN2 ID (max) = 15 A 80 °C:ssa	DMOSFET 1200-B CREE suunnittelu näytteen ID (max) = 15 A 150 °C:ssa
Jännite VDS, V
Induktiivinen	Induktiivinen (500 µH)
Ohjausjännite VGE, V
Portin vastus RG, ohm
Energiahäviö päälle kytkettynä (kytkentävirta 10 A), ЕON, mJ
Energiahäviö sammutettaessa (kytkentävirta 10 A), EOFF, mJ
Suurin hyötysuhde, ή
Euro-tehokkuus* ήEUR0

Taulukko 1. Pii-IGBT:iden ja piikarbidi-MOSFETien kytkentähäviöt.

Harkitse seuraavaksi esimerkkiä piikarbidi-MOSFET:ien käytöstä kolmivaiheisissa 7 kW, 16,6 kHz:n invertterissä aurinkopaneelit. Invertterissä on ISE Institutessa kehitetty B6-topologia ja se käyttää piirissä kondensaattoria DC, kytketään nollajohtimeen. Kuvassa 2 on esitetty vertailutestien tulokset. Kuten esitetyistä tuloksista voidaan nähdä, piikarbiditransistoreja käytettäessä häviöt pienenevät lähes 2 kertaa. Tämä tarkoittaa, että myös jäähdytyselementin lämpötila laskee: 93 °C käytettäessä IGBT-transistoreja ja 50 °C piikarbidi-MOSFETeja käytettäessä.

Kuva 2. 1200 V MOSFETin ja IGBT:n häviöiden vertailu

Piikarbidin MOSFET:ien käytön edut aurinkosähkömuuntimissa:
- alhaiset kustannukset induktiiviset komponentit. Induktiivisten komponenttien mitat riippuvat muunnostaajuudesta. Niiden kustannukset laskevat noin 50 %, kun muunnostiheys kasvaa 2-3 kertaa. Muunnostaajuuden kasvaessa myös kolmannen harmonisen taajuus kasvaa, ja on paljon helpompaa pienentää kolmannen harmonisen tehoa taajuudella 150 kHz kuin taajuudella 50 kHz;
- pienemmät lämmönpoistovaatimukset. Piikarbidi-MOSFET:ien käyttö mahdollistaa niiden lämpötilan alentamisen 50 %:lla, mikä johtaa esimerkissämme koon ja vastaavasti koko tuotteen kustannusten pienenemiseen noin 5 %;
- voittojen lisääminen vähentämällä energiahäviöitä.

Kuvassa 3 on tyypillinen kolmivaiheinen tasasuuntaajapiiri, jossa on eristetty nollavirtakytkentäinen DC/DC-muunnin. Testeissä kytkiminä S1, S2 käytettiin 1200 V, 25 A IGBT-transistoreja, 1200 V, 40 A IGBT-transistoreja ja 1200 V, 25 A piikarbidi-MOSFETejä. Järjestelmän toiminnan tulokset päällä maksimi kuormitus 3 kW on esitetty kuvassa 4. Kuten näkyy, MOSFETin kanssa työskenneltäessä järjestelmän tehokkuus kasvaa 2,2 %. MOSFET-paketin lämpötila on alempi: 25 °C alempi kuin 40 A IGBT ja 36 °C alempi kuin 25 A IGBT.

Riisi. 3. Kolmivaiheinen 3 kW:n invertteri korkeammalla tehokertoimella ja eteenpäin suuntautuvalla muuntimella Riisi. 4. Kaavio hyötysuhteen muutoksista lähtötehon mukaan muunnostaajuudella 67 kHz.

1200 V MOSFETin edut esitettiin yllä. Kuitenkin korkeammilla jännitteillä - 6,5 kV ja jopa korkeammilla piikarbiditransistoreilla on myös etuja piivastineisiinsa nähden. Äskettäin on kehitetty 10 kV, 10 A piikarbidi MOSFET. Kun hilakäyttöjännite on 20 V ja kanavavirta 10 A, jännitehäviö avaa kanava on vain 4,1 V, mikä vastaa 127 mOhm/cm2 resistanssia. Viemärilähteen vuotovirta on 124 nA 10 kV jännitteellä.
Vertailevan kokeen aikana havaittiin, että induktiivisella kuormalla käytettäessä piikarbiditransistorin kytkentähäviöt ovat 200 kertaa pienemmät kuin 6,5 kV IGBT:ssä! Käynnistysviive on vain 94 ns ja sammutusviive on 50 ns; IGBT:lle - 1,4 μs ja 540 ns, vastaavasti!
Käytettäessä 10 kV piikarbidi-MOSFETtejä ja Schottky-diodia tehostusmuuntimessa (500 V tulo, 5 kV lähtö) 600 W muuntimen hyötysuhde oli 91 %. Laskelmien tulosten perusteella todettiin, että sama piiri tavanomaisella pii-MOSFET:llä pystyi toimimaan vain muutaman sadan hertsin taajuudella. Kuva 5 esittää kaavioita virroista ja jännitteistä, kun MOSFET on kytketty pois päältä. Kuvassa näkyy kuinka nopeasti ohimeneviä prosesseja tapahtuu laitteessa.

Riisi. 5. 10 kV piikarbidin MOSFETin kytkentäprosessi taajuudella 20 kHz ja muuntimen teholla 600 W.

Lisääntyneen kiinnostuksen myötä vaihtoehtoisia lähteitä energia, piikarbiditeknologialla on laajat näkymät. Vähentämällä tehohäviöitä piikarbiditransistoreiden käyttö on houkuttelevaa tulevaisuudessa sekä aurinkosähkömuuntimissa että fossiilisia polttoaineita käyttävien sähkögeneraattoreiden muuntimissa.