Dalam semua blok yang boleh diganti penerima dan dalam mereka pilihan yang mungkin Hanya transistor germanium digunakan, terutamanya struktur p-n-p. Hanya dalam peringkat keluaran tolak-tarik penguat tanpa pengubah frekuensi audio(blok 5) salah satu transistornya mempunyai struktur n-p-n. Transistor Germanium telah lama mendapat populariti di kalangan amatur radio dan digunakan secara meluas oleh mereka dalam peralatan yang direka. Di samping itu, harga untuk mereka baru-baru ini telah dikurangkan dengan ketara; mereka hampir selalu tersedia di kedai radio, di pangkalan perdagangan Posyltorg dan Tsentrosoyuz, dari mana mereka boleh dipesan melalui pos.

Tetapi hari ini, transistor germanium, sebagai tidak menjanjikan, semakin memberi laluan kepada transistor silikon dalam peralatan radio, termasuk peralatan radio amatur. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa instrumen dan peranti berdasarkan transistor silikon beroperasi keadaan yang berbeza lebih stabil. Untuk ini kita boleh menambah bahawa pengeluaran transistor silikon sentiasa berkembang, manakala pengeluaran transistor germanium semakin berkurangan.

Dalam hal ini, anda mungkin mempunyai soalan: adakah mungkin untuk menggantikan transistor germanium dengan silikon dalam blok yang boleh diganti penerima yang diterangkan? Ia mungkin, tetapi, sudah tentu, dengan mengambil kira beberapa ciri mereka.

Paling ciri ciri Transistor silikon mempunyai voltan pincang yang lebih tinggi di mana ia dihidupkan. Transistor Germanium, seperti yang anda tahu, terbuka apabila voltan pada pemancar r-p peralihan 0.1... 0.2 V, dan silikon pada voltan 0.6... 0.7 V. Ini bermakna berdasarkan transistor silikon yang beroperasi dalam mod penguatan, relatif kepada pemancar harus ada sekurang-kurangnya 0.6 V. Dengan lebih At voltan pincang rendah, transistor silikon akan memesongkan isyarat yang dikuatkan. Mod awal operasi transistor silikon ini ditubuhkan, seperti transistor germanium, dengan pemilihan nilai perintang yang sesuai dalam litar asas.

nasi. 47. Litar penguat audio (blok 6) menggunakan transistor silikon

Kebanyakan transistor silikon mempunyai struktur n-p-n. Ini bermakna menggantikan germanium dalam blok p-n-p transistor pada silikon n-p-n Transistor perlu mengubah bukan sahaja kekutuban sumber kuasa, tetapi juga kekutuban kapasitor elektrolitik.

Ini, sebenarnya, adalah perkara utama yang perlu diingat apabila menggantikan transistor germanium dengan yang silikon. Bagi pembinaan rajah litar blok dan voltan bekalan kuasa, ia pada dasarnya tidak mengalami perubahan.

Contohnya dalam Rajah. Rajah 47 menunjukkan gambar rajah blok 6 - penguat audio tanpa pengubah yang sama, tetapi dengan transistor silikon. Bagaimanakah ia berbeza daripada litar blok menggunakan transistor germanium (lihat Rajah 38)? Terutamanya oleh kekutuban bekalan kuasa dan kapasitor elektrolitik. Transistor 6 V1, 6V2 Dan 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, mod pengendalian Transistor 6 V1 dipasang dengan memilih perintang 6 R1. Voltan pada titik simpang pemancar transistor 6 V3 Dan 6 V4(titik simetri peringkat keluaran tolak-tarik), sama dengan separuh voltan sumber kuasa, ditetapkan dengan memilih perintang 6 R4, a arus litar pengumpul transistor 6 V3, sama dengan 3... 4 mA, dengan memilih perintang 6 R7.

Beri perhatian kepada kemasukan perintang 6 R6 dan kepala dinamik 1B1. Dalam yang diterangkan 1! blok pada transistor germanium, perintang sedemikian disambungkan terus ke negatif, dan kepala ke konduktor positif sumber kuasa. Dan di sini kepala disambungkan ke konduktor positif sumber kuasa, jadi polariti kapasitor elektrolitik telah berubah 6S5, dan perintang 6 R6 disambungkan ke titik sambungan antara kepala dan kapasitor ini. Dengan kaedah menyambung perintang ini melaluinya dari litar keluaran ke litar asas transistor peringkat keluaran, rangsangan voltan yang dipanggil dibekalkan - voltan frekuensi audio kecil yang menyamakan keadaan operasi transistor.

Dalam semua blok, bukannya kuasa rendah frekuensi tinggi dan frekuensi rendah p-n-p transistor paling sesuai digunakan n-p-n transistor siri KT315 dengan pekali pemindahan arus statik 80... 100, bukannya n-p-n transistor dalam blok 6 (MP37) - p-n-p transistor dari siri KT361. Dalam peringkat keluaran penguat audio berkuasa tinggi (Gamb. 40) p-n-p transistor-P602 boleh diganti n-p-n transistor K.T601, KT602, KT603 dengan mana-mana? indeks huruf.

Sebelum anda mula memasang blok tertentu, laraskannya gambarajah skematik mengambil kira cadangan yang diberikan di sini. Ini akan mengelakkan ralat dan juga kemungkinan kerosakan pada transistor.

Ia dianggap sebagai salah satu ciptaan penting abad ke-20. ciptaan transistor, yang menggantikan tiub vakum.

Untuk masa yang lama, lampu adalah satu-satunya komponen yang aktif peranti radio-elektronik, walaupun mereka mempunyai banyak kekurangan. Pertama sekali, ini adalah penggunaan kuasa tinggi, dimensi besar, hayat perkhidmatan yang pendek dan kekuatan mekanikal yang rendah. Kelemahan ini semakin dirasai apabila peralatan elektronik bertambah baik dan menjadi lebih kompleks.

Revolusi revolusioner dalam kejuruteraan radio berlaku apabila lampu usang digantikan oleh peranti penguatan semikonduktor - transistor, tanpa semua kelemahan yang disebutkan.

Transistor berfungsi pertama dilahirkan pada tahun 1947, berkat usaha pekerja syarikat Amerika Bell Telephone Laboratories. Nama mereka kini dikenali di seluruh dunia. Ini adalah saintis - ahli fizik W. Shockley, D. Bardeen dan W. Brighten. Sudah pada tahun 1956, ketiga-tiga mereka telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik untuk ciptaan ini.

Tetapi, seperti banyak ciptaan hebat, transistor tidak disedari serta-merta. Hanya satu daripada akhbar Amerika yang menyebut bahawa Bell Telephone Laboratories menunjukkan peranti yang diciptanya dipanggil transistor. Ia juga dikatakan di sana bahawa ia boleh digunakan dalam beberapa bidang kejuruteraan elektrik sebaliknya tiub vakum.

Transistor yang ditunjukkan adalah dalam bentuk silinder logam kecil sepanjang 13 mm dan ditunjukkan dalam penerima yang tidak mempunyai tiub vakum. Di samping itu, syarikat itu memberi jaminan bahawa peranti itu boleh digunakan bukan sahaja untuk penguatan, tetapi juga untuk menjana atau menukar isyarat elektrik.

nasi. 1. Transistor pertama

nasi. 2. John Bardeen, William Shockley dan Walter Brattain. Mereka berkongsi Hadiah Nobel 1956 atas kerjasama mereka dalam membangunkan transistor operasi pertama di dunia pada tahun 1948.

Tetapi keupayaan transistor, seperti banyak penemuan hebat lain, tidak segera difahami dan dihargai. Untuk menjana minat terhadap peranti baharu itu, Bell banyak mengiklankannya di seminar dan dalam artikel, dan memberikan lesen untuk pengeluarannya kepada semua orang.

Pengilang tiub elektronik tidak melihat transistor sebagai pesaing yang serius, kerana ia adalah mustahil untuk segera, dalam satu kejadian, diskaun sejarah tiga puluh tahun pengeluaran tiub beberapa ratus reka bentuk, dan berjuta-juta dolar. pelaburan tunai dalam pembangunan dan pengeluaran mereka. Oleh itu, transistor tidak memasuki elektronik begitu cepat, kerana era tiub vakum masih berterusan.

nasi. 3. Transistor dan tiub vakum

Langkah pertama untuk semikonduktor

Sejak zaman purba, kejuruteraan elektrik telah menggunakan terutamanya dua jenis bahan - konduktor dan dielektrik (penebat). Logam, larutan garam, dan beberapa gas mempunyai keupayaan untuk mengalirkan arus. Keupayaan ini disebabkan oleh kehadiran pembawa cas bebas - elektron - dalam konduktor. Dalam konduktor, elektron agak mudah dipisahkan daripada atom, tetapi untuk penghantaran tenaga elektrik Logam yang paling sesuai ialah logam yang mempunyai rintangan rendah (tembaga, aluminium, perak, emas).

Penebat adalah bahan yang mempunyai rintangan yang tinggi; elektronnya terikat dengan sangat rapat pada atom. Ini adalah porselin, kaca, getah, seramik, plastik. sebab tu caj percuma Tiada, dan oleh itu tiada, arus elektrik dalam bahan-bahan ini.

Di sini adalah wajar untuk mengimbas kembali rumusan daripada buku teks fizik yang elektrik ini adalah pergerakan terarah zarah bercas elektrik di bawah pengaruh medan elektrik. Dalam penebat tidak ada apa-apa untuk bergerak di bawah pengaruh medan elektrik.

Walau bagaimanapun, dalam proses mengkaji fenomena elektrik dalam pelbagai bahan, beberapa penyelidik berjaya "merasakan" kesan semikonduktor. Sebagai contoh, pengesan kristal (diod) pertama dicipta pada tahun 1874 oleh ahli fizik Jerman Karl Ferdinand Braun berdasarkan sentuhan plumbum dan pirit. (Pyrite adalah pirit besi; apabila ia mengenai kerusi, percikan api dipukul, itulah sebabnya ia mendapat namanya daripada "pir" Yunani - api). Kemudian, pengesan ini berjaya menggantikan koheren dalam penerima pertama, yang meningkatkan kepekaan mereka dengan ketara.

Pada tahun 1907, Boeddeker, semasa mengkaji kekonduksian iodida kuprum, mendapati bahawa kekonduksiannya meningkat 24 kali ganda dengan kehadiran iodin, walaupun iodin itu sendiri bukan konduktor. Tetapi semua ini adalah penemuan rawak yang tidak dapat dibuktikan secara saintifik. Kajian sistematik semikonduktor bermula hanya pada tahun 1920 - 1930.

Pada hari-hari awal pengeluaran transistor, semikonduktor utama ialah germanium (Ge). Dari segi penggunaan tenaga, ia sangat menjimatkan, voltan buka kunci persimpangan pnnya hanya 0.1 ... 0.3 V, tetapi banyak parameter tidak stabil, jadi silikon (Si) datang untuk menggantikannya.

Suhu di mana transistor germanium beroperasi tidak lebih daripada 60 darjah, manakala transistor silikon boleh terus beroperasi pada 150. Silikon, sebagai semikonduktor, adalah lebih baik daripada germanium dalam sifat lain, terutamanya dalam kekerapan.

Di samping itu, rizab silikon (pasir biasa di pantai) dalam alam semula jadi tidak terhad, dan teknologi untuk penulenan dan pemprosesannya lebih mudah dan lebih murah daripada unsur germanium, yang jarang berlaku. Transistor silikon pertama muncul sejurus selepas transistor germanium pertama - pada tahun 1954. Peristiwa ini malah menimbulkan nama baharu "zaman silikon", tidak boleh dikelirukan dengan zaman batu!

nasi. 4. Evolusi transistor

Mikropemproses dan semikonduktor. Penurunan "Zaman Silikon"

Pernahkah anda terfikir kenapa Kebelakangan ini Adakah hampir semua komputer menjadi berbilang teras? Istilah dwi-teras atau quad-core ada di bibir semua orang. Hakikatnya ialah meningkatkan prestasi mikropemproses dengan meningkatkan kekerapan jam, dan peningkatan dalam bilangan transistor dalam satu pakej, untuk struktur silikon telah hampir menghampiri had.

Peningkatan bilangan semikonduktor dalam satu pakej dicapai dengan mengurangkannya dimensi fizikal. Pada 2011 syarikat INTEL telah membangunkan teknologi proses 32 nm, di mana panjang saluran transistor hanya 20 nm. Walau bagaimanapun, pengurangan sedemikian tidak membawa peningkatan ketara dalam kekerapan jam, seperti yang berlaku sehingga teknologi 90 nm. Ia benar-benar jelas bahawa sudah tiba masanya untuk beralih kepada sesuatu yang pada asasnya baru.

Transistor(transistor) – unsur semikonduktor dengan tiga pin (biasanya), salah satunya ( pengumpul) arus yang kuat dibekalkan, dan yang lain ( asas) berkhidmat lemah ( mengawal arus). Pada kekuatan tertentu arus kawalan, ia seolah-olah injap "membuka" dan arus daripada pengumpul mula mengalir pada keluaran ketiga ( pemancar).

Iaitu, transistor adalah sejenis injap, yang, pada kekuatan arus tertentu, secara mendadak mengurangkan rintangan dan menghantar arus lebih jauh (dari pengumpul ke pemancar). Ini berlaku kerana dalam keadaan tertentu, lubang yang mempunyai elektron kehilangannya, menerima yang baru, dan sebagainya. dalam bulatan. Jika tiada arus elektrik dikenakan ke tapak, transistor akan berada dalam keadaan seimbang dan tidak akan menghantar arus ke pemancar.

Dalam cip elektronik moden, bilangan transistor nombor dalam berbilion. Ia digunakan terutamanya untuk pengiraan dan terdiri daripada sambungan yang kompleks.

Bahan semikonduktor yang digunakan terutamanya dalam transistor ialah: silikon, gallium arsenide Dan germanium. Terdapat juga transistor tiub nano karbon, telus untuk paparan LCD Dan polimer(yang paling menjanjikan).

Jenis transistor:

bipolar– transistor di mana pembawa cas boleh menjadi kedua-dua elektron dan "lubang". Arus boleh mengalir seperti ke arah pemancar, jadi ke arah pengumpul. Untuk mengawal aliran, arus kawalan tertentu digunakan.

– peranti meluas di mana aliran elektrik dikawal melalui medan elektrik. Iaitu, apabila medan yang lebih besar terbentuk, lebih banyak elektron ditangkap olehnya dan tidak boleh memindahkan cas lagi. Iaitu, ini adalah sejenis injap yang boleh mengubah jumlah cas yang dipindahkan (jika transistor kesan medan dikawal p—n— peralihan). Ciri tersendiri Transistor ini adalah voltan masukan tinggi dan keuntungan voltan tinggi.

digabungkan– transistor dengan perintang gabungan, atau transistor lain dalam satu perumah. Mereka berkhidmat untuk pelbagai tujuan, tetapi terutamanya untuk meningkatkan keuntungan semasa.

Subjenis:

Bio-transistor– berasaskan polimer biologi yang boleh digunakan dalam perubatan dan bioteknologi tanpa membahayakan organisma hidup. Kajian telah dijalankan ke atas metalloprotein, klorofil A (berasal daripada bayam), dan virus mozek tembakau.

Transistor elektron tunggal– pertama kali dicipta oleh saintis Rusia di 1996. Boleh bekerja di suhu bilik tidak seperti pendahulunya. Prinsip operasi adalah serupa dengan transistor kesan medan, tetapi lebih halus. Pemancar isyarat ialah satu atau lebih elektron. Transistor ini juga dipanggil transistor nano dan kuantum. Menggunakan teknologi ini, pada masa hadapan mereka berharap untuk mencipta transistor dengan saiz kurang daripada 10 nm, berasaskan graphene.

Apakah kegunaan transistor?

Transistor digunakan dalam litar penguatan, lampu, motor elektrik dan peranti lain jika perlu perubahan pantas ampere atau kedudukan padadimatikan. Transistor boleh mengehadkan arus atau dengan lancar, atau dengan kaedah nadi—jeda. Yang kedua lebih kerap digunakan untuk -kawalan. Menggunakan sumber kuasa yang kuat, ia mengalir melalui dirinya sendiri, mengawalnya dengan arus yang lemah.

Jika arus tidak mencukupi untuk menghidupkan litar transistor, kemudian gunakan beberapa transistor dengan kepekaan yang lebih besar, disambungkan secara berlata.

Transistor berkuasa yang disambungkan dalam satu atau lebih pakej digunakan sepenuhnya penguat digital berasaskan . Mereka sering memerlukan penyejukan tambahan . Dalam kebanyakan skim, mereka bekerja dalam mod kunci(dalam mod suis).

Transistor juga digunakan dalam sistem kuasa, kedua-dua digital dan analog ( papan induk , kad video, Bekalan kuasa&dan lain-lain).

Pusat pemproses, juga terdiri daripada berjuta-juta dan berbilion-bilion transistor, disambungkan dalam susunan tertentu untuk khusus pengiraan.

Setiap kumpulan transistor mengekod isyarat dengan cara tertentu dan menghantarnya lebih jauh untuk diproses. Semua jenis dan ROM ingatan juga terdiri daripada transistor.

Semua pencapaian mikroelektronik akan menjadi praktikal mustahil tanpa ciptaan dan penggunaan transistor. Sukar untuk membayangkan sekurang-kurangnya satu peranti elektronik tanpa sekurang-kurangnya satu transistor.

• Terjemahan

Sebagai demonstrasi kefungsian konsep, pengarang dan pasukannya mencipta substrat germanium pada penebat untuk mencipta penyongsang yang mengandungi transistor satah pertama dan kemudian transistor FinFET

Hampir 70 tahun yang lalu, dua ahli fizik Bell Telephone Lab—John Bardeen dan Walter Brattain—menekan dua sesentuh emas nipis ke dalam wafer germanium, dan membuat sentuhan ketiga di bahagian bawah wafer. Arus yang melalui struktur ini boleh digunakan untuk berubah isyarat lemah dalam kuat. Hasilnya ialah penguat dan suis transistor pertama, yang mungkin telah menjadi ciptaan terhebat abad ke-20. Terima kasih kepada Undang-undang Moore, transistor telah memajukan komputer jauh melebihi apa yang kelihatan mungkin pada tahun 1950-an.

Walaupun germanium berperanan cemerlang dalam sejarah awal transistor, ia tidak lama kemudian digantikan oleh silikon. Tetapi sekarang, yang mengejutkan, bahan ini bersedia untuk membuat kemunculan semula. Peneraju dalam pembuatan cip sedang mempertimbangkan untuk menggantikan komponen di tengah-tengah transistor - saluran pembawa semasa. Ideanya adalah untuk menggantikan silikon dengan bahan yang boleh mengalirkan arus dengan lebih baik. Mencipta transistor dengan saluran ini boleh membantu jurutera terus meningkatkan kelajuan litar dan kecekapan kuasa, membawa kepada komputer, telefon pintar dan pelbagai alat lain yang lebih baik pada tahun-tahun akan datang.

Untuk masa yang lama minat saluran alternatif berputar di sekeliling sebatian A III B V, seperti gallium arsenide, yang terdiri daripada atom di sebelah kiri dan kanan silikon pada jadual berkala. Dan saya mengambil bahagian dalam kajian itu. Lapan tahun lalu saya menggariskan kemajuan yang dibuat dalam membina transistor menggunakan sambungan sedemikian.

Kedua-dua transistor dalam penyongsang FinFET mengandungi saluran sirip yang menonjol dari satah substrat (di atas - saluran merah jambu, di bawah - pandangan serong set lain). Jarak antara "sirip" di bahagian atas ialah berpuluh-puluh nanometer.

Tetapi akibatnya, kami mendapati bahawa terdapat batasan fizikal asas kepada pendekatan A III B V. Ia juga mungkin terlalu mahal dan kompleks untuk disepadukan dengan teknologi silikon sedia ada. Jadi beberapa tahun yang lalu, pasukan saya di Universiti Purdue mula bereksperimen dengan peranti yang berbeza: transistor yang salurannya diperbuat daripada germanium. Sejak itu, kami telah menunjukkan litar CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) pertama. Lebih kurang logik yang sama yang ada di dalam komputer moden, hanya diperbuat daripada germanium yang ditanam pada substrat silikon konvensional. Kami juga telah mencipta beberapa seni bina transistor yang berbeza daripada bahan ini. Ini termasuk peranti nanowire yang boleh menjadi langkah seterusnya dalam pembuatan apabila transistor terbaik hari ini, FinFET, tidak lagi boleh dibuat lebih kecil.

Dan apa yang lebih menarik ialah ternyata untuk mendapatkan kembali germanium tidaklah sesukar yang disangka. Transistor menggunakan gabungan silikon dan germanium dalam saluran sudah boleh didapati dalam cip baharu, dan pertama kali muncul pada 2015, dalam demonstrasi teknologi cip masa depan daripada IBM. Perkembangan ini boleh menjadi langkah pertama dalam industri yang ingin memperkenalkan jumlah germanium yang semakin meningkat ke dalam saluran. Dalam beberapa tahun, kita mungkin mendapati bahawa bahan yang memberi kita transistor membantu membawa mereka ke era prestasi luar biasa seterusnya.

Germanium pertama kali diasingkan dan ditemui oleh ahli kimia Jerman Clemens Winkler pada akhir abad ke-19. Bahan itu dinamakan sempena tanah air saintis, dan sentiasa dianggap sebagai pengalir arus yang lemah. Ini berubah semasa Perang Dunia II, apabila sifat semikonduktor germanium-iaitu, keupayaan untuk bertukar antara mengalir dan menyekat arus-ditemui. Pada tahun-tahun selepas perang, peranti semikonduktor berasaskan germanium berkembang pesat. Di AS, pengeluaran, bertindak balas kepada permintaan pasaran, meningkat daripada beberapa ratus paun pada tahun 1946 kepada 45 tan menjelang 1960. Tetapi silikon menang; ia telah menjadi bahan popular untuk logik dan cip memori.

Dan terdapat sebab yang baik untuk penguasaan silikon. Pertama, terdapat lebih banyak dan ia lebih murah. Silikon mempunyai jurang jalur yang lebih luas, penghalang tenaga yang mesti diatasi untuk mewujudkan kekonduksian. Semakin besar zon ini, semakin sukar untuk arus bocor melalui peranti pada saat yang tidak perlu dan membazirkan tenaga. Sebagai bonus, silikon juga mempunyai kekonduksian terma yang lebih baik, yang menjadikannya lebih mudah untuk menghilangkan haba supaya litar tidak terlalu panas.

Memandangkan semua faedah, adalah wajar untuk tertanya-tanya mengapa kami akan mempertimbangkan untuk mengembalikan germanium ke saluran. Jawapannya ialah mobiliti. Elektron dalam germanium bergerak hampir tiga kali lebih mudah pada suhu bilik daripada dalam silikon. Dan lubang-ketiadaan elektron dalam bahan, dianggap sebagai cas positif-bergerak hampir empat kali lebih rela.

Pengayun cincin CMOS sembilan peringkat diperkenalkan pada 2015

Hakikat bahawa elektron dan lubang sangat mudah alih dalam germanium menjadikannya calon yang sesuai untuk litar CMOS. CMOS menggabungkan dua jenis yang berbeza transistor: FET saluran p (pFET), yang salurannya mengandungi lebihan lubang bebas, dan FET saluran-n (nFET), yang mempunyai lebihan elektron. Lebih cepat mereka bergerak, lebih cepat litar berfungsi. Dan mengurangkan voltan yang diperlukan untuk menggerakkannya bermakna mengurangkan penggunaan tenaga.

Sudah tentu, germanium bukan satu-satunya bahan yang mempunyai mobiliti zarah sedemikian. Sebatian A III B V yang disebutkan sebelum ini, bahan seperti indium arsenide dan galium arsenide, juga mempunyai mobiliti elektron yang tinggi. Elektron dalam indium arsenide hampir 30 kali lebih mudah alih daripada dalam silikon. Tetapi masalahnya ialah harta ini tidak terpakai pada lubang - ia tidak lebih mudah alih daripada yang terdapat dalam silikon. Dan had ini menjadikannya mustahil untuk mencipta pFET berkelajuan tinggi, dan kekurangan pFET berkelajuan tinggi menafikan pengeluaran litar CMOS pantas, kerana ia tidak boleh beroperasi dengan perbezaan yang sangat besar dalam kelajuan operasi nFET dan pFET.

Satu penyelesaian adalah untuk mengambil yang terbaik daripada setiap bahan. Penyelidik di banyak makmal, seperti European Semiconductor Research Organization Imec dan IBM Zurich Laboratory, telah menunjukkan cara untuk mencipta litar di mana saluran nFET diperbuat daripada sebatian A III B V dan pFET diperbuat daripada germanium. Dan walaupun teknologi ini boleh membenarkan litar yang sangat pantas, ia menambahkan kerumitan yang ketara kepada pengeluaran.

Oleh itu, kami lebih suka pendekatan mudah dengan germanium. Saluran Germanium harus meningkatkan prestasi, dan masalah pengeluaran tidak akan menjadi serius.

Bagaimana keadaan Jerman?

Untuk germanium - atau apa-apa bahan alternatif - untuk menjadikannya sebagai pengeluaran, cara mesti dicari untuk menambahnya pada wafer silikon yang kini digunakan untuk membuat kerepek. Nasib baik, terdapat banyak cara untuk mendepositkan lapisan germanium pada substrat silikon, yang kemudiannya boleh digunakan untuk membuat saluran. Menggunakan lapisan nipis menghapuskan dua masalah utama germanium - kosnya yang tinggi berbanding silikon, dan kekonduksian termanya yang agak lemah.

Tetapi untuk menggantikan silikon dalam transistor, tidak cukup dengan hanya memasukkan lapisan germanium yang nipis dan berkualiti tinggi. Saluran mesti berfungsi dengan sempurna dengan komponen transistor yang lain.

Cip CMOS moden di mana-mana menggunakan transistor kesan medan logam-oksida-semikonduktor (MOSFET). Ia mempunyai empat bahagian asas. Sumber dan longkang – titik permulaan dan penamat pergerakan semasa; saluran yang menghubungkan mereka; gerbang yang berfungsi sebagai injap yang mengawal kehadiran arus dalam saluran.

Pada hakikatnya, transistor berkualiti tinggi juga mengandungi bahan-bahan lain. Salah satu yang paling penting ialah penebat pintu, yang menghalang litar pintas pintu gerbang dan saluran. Atom dalam semikonduktor seperti silikon, germanium dan sebatian A III B V disusun dalam tiga dimensi. Permukaan rata yang sempurna tidak boleh dibuat, jadi atom di bahagian atas saluran akan mempunyai beberapa ikatan yang menonjol. Anda memerlukan penebat yang mengikat sebanyak mungkin ikatan ini, dan proses ini dipanggil pempasifan, atau etsa permukaan. Jika dibuat dengan buruk, anda boleh berakhir dengan saluran dengan "lubang elektrik", penuh dengan tempat di mana pembawa cas boleh terperangkap buat sementara waktu, mengurangkan mobiliti mereka dan, akibatnya, kelajuan peranti.

Kiri: A III B V nFET dan germanium pFET, kepingan kedua-dua bahan yang ditanam pada substrat silikon berpenebat.
Kanan: Kedua-dua transistor diperbuat daripada germanium yang terikat pada substrat.

Nasib baik, alam semula jadi telah menyediakan silikon dengan penebat semula jadi yang sepadan dengan struktur kristalnya dengan baik: silikon dioksida (SiO 2 ). Dan walaupun lebih banyak penebat eksotik ditemui dalam transistor moden, ia masih mengandungi lapisan nipis oksida ini, yang berfungsi untuk memasifkan saluran silikon. Oleh kerana silikon dan SiO 2 adalah serupa dari segi struktur, lapisan SiO 2 yang dibuat dengan baik mengikat 99,999 daripada 100,000 ikatan bebas - dan terdapat kira-kira sebanyak itu ikatan bebas bagi setiap sentimeter persegi silikon.

Gallium arsenide dan sebatian A III B V yang lain tidak mempunyai oksida semula jadi, tetapi germanium - jadi secara teorinya ia harus menjadi bahan yang ideal untuk pempasifan saluran. Masalahnya ialah germanium dioksida (GeO 2 ) lebih lemah daripada SiO 2 dan boleh diserap dan dilarutkan oleh air yang digunakan untuk membersihkan substrat semasa pembuatan cip. Lebih memburukkan lagi, proses pertumbuhan GeO 2 sukar dikawal. Peranti yang ideal memerlukan lapisan GeO 2 setebal 1-2 nm, tetapi pada hakikatnya adalah lebih sukar untuk membuat lapisan lebih nipis daripada 20 nm.

Pengkaji telah mengkaji pelbagai alternatif. Profesor Stanford, Krishna Saraswat dan rakan-rakannya, yang mendorong minat menggunakan germanium sebagai bahan alternatif pada tahun 2000-an, mula-mula mengkaji zirkonia, bahan pemalar dielektrik tinggi jenis yang digunakan hari ini dalam transistor berkelajuan tinggi. Berdasarkan kerja mereka, pasukan dari Imec di Belgium meneroka perkara yang boleh dilakukan dengan lapisan silikon ultra-nipis untuk memperbaiki antara muka antara germanium dan bahan serupa.

Tetapi pempasifan germanium telah bertambah baik pada tahun 2011, apabila pasukan Profesor Shinichi Takagi di Universiti Tokyo menunjukkan cara untuk mengawal pertumbuhan penebat germanium. Pertama, para penyelidik mengembangkan lapisan nanometer penebat lain, aluminium oksida, pada saluran germanium. Selepas ini, mereka diletakkan di dalam ruang oksigen. Sebahagian daripada oksigen melalui lapisan aluminium oksida ke germanium di bawah, dan bercampur dengannya untuk membentuk lapisan nipis oksida (sebatian germanium dengan oksigen, tetapi secara teknikalnya bukan GeO 2). Aluminium oksida bukan sahaja membantu mengawal pertumbuhan, tetapi juga berfungsi salutan pelindung untuk lapisan yang kurang stabil.

Saluran nanowire

Beberapa tahun yang lalu, diilhamkan oleh penemuan ini dan memandangkan kesukaran mencipta pFET dengan saluran A III B V, kumpulan saya di Purdue mula meneroka cara untuk mencipta transistor menggunakan saluran germanium. Kami bermula dengan menggunakan substrat germanium-on-penebat yang dibangunkan oleh pengeluar Perancis Soitec. Ini adalah substrat silikon standard dengan lapisan penebat yang terletak di bawah lapisan germanium 100 nm.

Dengan substrat ini, adalah mungkin untuk mencipta transistor di mana semua bahagian standard - sumber, saluran dan longkang - diperbuat daripada germanium. Pengilang transistor tidak perlu mengikut reka bentuk ini, tetapi ia memudahkan kami untuk mengkaji sifat asas peranti germanium.

Salah satu halangan pertama ialah perjuangan dengan rintangan antara sumber dan longkang transistor dan elektrod logam yang menyambungkannya ke dunia luar. Rintangan timbul daripada penghalang Schottky elektronik semula jadi yang muncul pada titik sentuhan antara logam dan semikonduktor. Transistor silikon telah dioptimumkan tanpa jemu untuk meminimumkan halangan ini supaya pembawa caj boleh mengatasinya dengan mudah. Tetapi peranti germanium memerlukan beberapa penyelesaian kejuruteraan yang bijak. Terima kasih kepada nuansa struktur elektronik, lubang mudah bergerak dari logam ke germanium, tetapi elektron, tidak begitu banyak. Ini bermakna nFET yang bergantung pada pergerakan elektron akan mempunyai rintangan yang sangat tinggi, kehilangan haba dan kehilangan arus.

Cara standard untuk membuat penghalang lebih nipis adalah dengan menambahkan lebih banyak dopan pada sumber dan longkang. Fizik proses adalah kompleks, tetapi ia boleh dibayangkan dengan cara ini: lebih banyak atom kekotoran memperkenalkan lebih banyak caj percuma. Dengan banyaknya pembawa cas percuma, interaksi elektrik antara elektrod logam dan sumber semikonduktor serta longkang dipertingkatkan. Ini membantu meningkatkan kesan terowong.

Malangnya, teknologi ini berfungsi lebih teruk dengan germanium berbanding dengan silikon. Bahan tidak menahan kepekatan tinggi kekotoran mengaloi. Tetapi kita boleh menggunakan tempat-tempat di mana ketumpatan kekotoran adalah maksimum.

Untuk melakukan ini, kami akan mengambil kesempatan daripada fakta bahawa kekotoran ditambah kepada semikonduktor moden oleh medan elektrik ultra tinggi yang menolak ion ke dalam bahan. Sebahagian daripada atom ini berhenti serta-merta, manakala yang lain menembusi lebih dalam. Hasilnya anda akan dapat taburan normal: kepekatan atom bendasing pada kedalaman tertentu akan menjadi maksimum, dan kemudian apabila bergerak lebih dalam atau lebih dalam arah terbalik akan berkurangan. Jika kita membenamkan sumber dan mengalirkan elektrod ke dalam semikonduktor, kita boleh meletakkannya di tempat kepekatan atom bendasing paling tinggi. Ini secara mendadak mengurangkan masalah rintangan sentuhan.

Sentuhan direndam ke kedalaman kepekatan maksimum atom kekotoran

Sama ada pembuat cip menggunakan pendekatan ini untuk mengurangkan halangan Schottky di Jerman, ia adalah demonstrasi berguna tentang keupayaannya. Pada permulaan penyelidikan kami, yang terbaik yang ditunjukkan oleh germanium nFET ialah arus 100 µA per µm lebar. Pada tahun 2014, di Simposium Teknologi dan Litar VLSI di Hawaii, kami melaporkan tentang nFET germanium yang mampu membawa arus 10 kali lebih banyak, secara kasarnya setanding dengan silikon. Enam bulan kemudian, kami menunjukkan litar pertama yang mengandungi nFET dan pFET germanium, prasyarat yang diperlukan untuk fabrikasi cip logik moden.

Sejak itu, kami telah menggunakan germanium untuk membina transistor yang lebih maju, seperti FinFET - teknologi terkini. Kami juga membuat transistor wayar nano menggunakan germanium, yang boleh menggantikan FinFET pada tahun-tahun akan datang.

Perkembangan ini akan diperlukan sebelum germanium boleh digunakan dalam pengeluaran besar-besaran, kerana ia membolehkan kawalan saluran transistor yang lebih baik. Terima kasih kepada celah jalur kecil germanium, transistor seperti itu hanya memerlukan satu perempat daripada tenaga yang diperlukan untuk bertukar kepada keadaan pengalir transistor silikon. Ini membuka kemungkinan operasi tenaga rendah, tetapi ia juga menjadikannya lebih berkemungkinan arus akan bocor apabila tidak sepatutnya. Peranti dengan kawalan saluran yang lebih baik akan membolehkan pengeluar mengeksploitasi jurang jalur yang rendah tanpa menjejaskan prestasi.

Kami telah membuat permulaan yang baik, tetapi kami masih mempunyai kerja yang perlu dilakukan. Sebagai contoh, lebih banyak eksperimen diperlukan pada substrat untuk menunjukkan transistor dengan saluran germanium berkualiti tinggi. Penambahbaikan reka bentuk juga perlu dibuat untuk mempercepatkan perkara.

Sudah tentu, germanium bukan satu-satunya pilihan untuk transistor masa depan. Penyelidik terus mengkaji komposisi A III B V, yang boleh digunakan bersama-sama dengan germanium dan secara berasingan. Kuantiti penambahbaikan yang mungkin transistor adalah besar. Senarai ini termasuk transistor tiub nano karbon, suis berorientasikan menegak, litar tiga dimensi, saluran yang diperbuat daripada campuran germanium dan timah, dan transistor berdasarkan prinsip terowong kuantum.

Pada tahun-tahun akan datang, kami mungkin menyesuaikan beberapa teknologi yang disenaraikan. Tetapi menambah germanium - walaupun dicampur dengan silikon - adalah penyelesaian yang akan membolehkan pengeluar terus menambah baik transistor dalam masa terdekat. Germanium, bahan pengasas era semikonduktor, boleh menjadi ubat penawar untuk dekad seterusnya.

Tag:

• transistor
• germanium

Tambah tag

Pada masa ini, peranti berasaskan silikon karbida - diod Schottky berkuasa tinggi dan transistor MOSFET - semakin digunakan sebagai peranti utama utama untuk teknologi penukar kuasa tinggi. Teknologi karbida silikon telah membawa peningkatan ketara kepada pembuatan MOSFET, menjadikan mereka pesaing kepada IGBT silikon, terutamanya dalam julat voltan tinggi.

Pertimbangkan MOSFET 1200-V 4H-SiC. Transistor ini menggunakan substrat berkualiti tinggi, meningkatkan kualiti lapisan epitaxial, dan mengoptimumkan reka bentuk untuk proses pengeluaran. Juga, melalui nitriding, mobiliti pembawa meningkat. Transistor silikon karbida lebih unggul daripada transistor silikon kerana celah jalurnya yang dilanjutkan. Kekuatan medan elektrik di mana kerosakan berlaku telah meningkat 10 kali ganda, kekonduksian terma telah bertambah baik, dan, akibatnya, suhu operasi telah meningkat. Apabila digunakan dalam semikonduktor dengan voltan operasi maksimum 600 V dan ke atas, silikon karbida juga lebih unggul daripada silikon. Hari ini, diod Schottky silikon karbida 600-V dan 1200-V adalah penyelesaian terbaik dalam penukar rangsangan. Disebabkan oleh kehilangan pensuisan yang lebih rendah berbanding diod PiN silikon.
Jika kita bercakap tentang mengenai suis kuasa, MOSFET silikon adalah lebih rendah daripada transistor IGBT 600- dan 1200-V terutamanya disebabkan oleh rintangan pada keadaan yang ketara bagi saluran (RDSON), yang meningkat mengikut perkadaran kuasa dua maksimum voltan yang dibenarkan sumber saliran (VDSMAX). Rintangan RDSON boleh dianggap sebagai gabungan rintangan RJFET dan RDRIFT (Rajah 1).

Rajah 1. Litar setara DMOSFET.

Dalam kes ini, rintangan RDRIFT, mencerminkan hanyut pembawa bebas, mendominasi dan nilainya ditentukan oleh perhubungan berikut:

RDRIFT = d/qμND, dengan d ialah ketebalan lapisan hanyut; q ialah cas elektron; ND ialah faktor doping.

Dalam generasi baru transistor MOSFET silikon karbida, ketebalan lapisan drift d dikurangkan sebanyak kira-kira 10 kali; pekali N D telah dinaikkan dengan jumlah yang sama. Akibatnya, rintangan R DSON berkurangan hampir 100 kali ganda berbanding dengan silikonnya.

APLIKASI TRANSISTOR SILIKON KARBIDA

Aplikasi peranti jenis ini Mari kita lihat contoh transistor 1200-V, 20-A dengan RDSON = 100 mOhm dan tahap kawalan get 15-V. Di samping mengurangkan rintangan RDSON di bawah keadaan biasa, pengaruh suhu dalam transistor karbida silikon berkurangan dengan ketara. Dalam julat 25...150°C, perubahan rintangan hanya 20%, iaitu nilai yang sangat kecil berbanding nilai yang sama iaitu 200% malah 300% untuk MOSFET silikon. Pada dasarnya, karbida - Walaupun maksimum suhu yang dibenarkan transistor bersiri (kebanyakannya diletakkan dalam bekas plastik TO-247) dihadkan kepada 150°C; transistor karbida silikon boleh beroperasi pada suhu melebihi 200°C.
Berbanding dengan transistor IGBT silikon, MOSFET silikon karbida mempunyai ketara kurang kerugian untuk menukar. MOSFET ialah peranti unipolar, oleh itu ia tidak mempunyai "ekor" semasa penukaran disebabkan oleh penyerapan pembawa minoriti. Jadual 1 memaparkan nilai kehilangan pensuisan kedua-dua jenis transistor.

Parameter	IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 ID DN2 (maks) = 15 A pada 80°C	Kejuruteraan DMOSFET 1200-B CREE ID sampel (maks) = 15 A pada 150 °C
Voltan VDS, V
Induktif	Induktif (500 µH)
Kawalan voltan VGE, V
Rintangan pintu RG, Ohm
Kehilangan tenaga apabila dihidupkan (arus ditukar 10 A), ЕON, mJ
Kehilangan tenaga apabila mematikan (menukar arus 10 A), EOFF, mJ
Kecekapan maksimum, ή
Kecekapan Euro* ήEUR0

Jadual 1. Kehilangan penukaran bagi IGBT silikon dan MOSFET silikon karbida.

Seterusnya, pertimbangkan contoh penggunaan MOSFET silikon karbida dalam penyongsang tiga fasa 7 kW, 16.6 kHz panel solar. Penyongsang mempunyai topologi B6 yang dibangunkan di Institut ISE dan menggunakan kapasitor dalam litar arus terus, menyambung kepada wayar neutral. Rajah 2 menunjukkan keputusan ujian perbandingan. Seperti yang dapat dilihat daripada keputusan yang dibentangkan, apabila menggunakan transistor karbida silikon, kerugian dikurangkan hampir 2 kali ganda. Ini bermakna suhu sink haba juga berkurangan: 93°C apabila menggunakan transistor IGBT dan 50°C apabila menggunakan MOSFET silikon karbida.

Rajah.2. Perbandingan kerugian dalam 1200-V MOSFET dan IGBT

Kelebihan menggunakan MOSFET silikon karbida dalam penukar fotovoltaik:
- kos rendah komponen induktif. Dimensi komponen induktif bergantung pada kekerapan penukaran. Kos mereka berkurangan kira-kira 50% apabila kekerapan penukaran meningkat sebanyak 2-3 kali. Apabila kekerapan penukaran meningkat, kekerapan harmonik ketiga juga meningkat, dan lebih mudah untuk mengurangkan kuasa harmonik ketiga dengan frekuensi 150 kHz berbanding dengan frekuensi 50 kHz;
- keperluan pelesapan haba yang lebih rendah. Penggunaan MOSFET silikon karbida memungkinkan untuk mengurangkan suhunya sebanyak 50%, yang akan membawa kepada pengurangan saiz dan, dengan itu, kos keseluruhan produk sebanyak kira-kira 5% dalam contoh kami;
- meningkatkan keuntungan dengan mengurangkan kerugian tenaga.

Rajah 3 menunjukkan litar penerus tiga fasa biasa dengan penukar DC/DC pensuisan sifar terpencil. Transistor IGBT 1200-V, 25-A, transistor IGBT 1200-V, 40-A dan MOSFET silikon karbida 1200-V, 25-A digunakan sebagai suis S1, S2 dalam ujian. Keputusan operasi sistem pada beban maksimum 3 kW ditunjukkan dalam Rajah 4. Seperti yang dapat dilihat, apabila bekerja dengan MOSFET, kecekapan sistem meningkat sebanyak 2.2%. Pakej MOSFET mempunyai suhu yang lebih rendah: 25°C lebih rendah daripada 40-A IGBT dan 36°C lebih rendah daripada 25-A IGBT.

nasi. 3. Penyongsang 3kW tiga fasa dengan faktor kuasa yang lebih tinggi dan penukar hadapan nasi. 4. Graf perubahan kecekapan bergantung pada kuasa output pada frekuensi penukaran 67 kHz.

Kelebihan MOSFET 1200-V ditunjukkan di atas. Walau bagaimanapun, pada voltan yang lebih tinggi - 6.5 kV dan lebih tinggi lagi, transistor karbida silikon juga mempunyai kelebihan berbanding rakan silikon mereka. Baru-baru ini, MOSFET silikon karbida 10-kV, 10-A telah dibangunkan. Dengan voltan pemacu pintu 20 V dan arus saluran 10 A, voltan menurun merentasi saluran terbuka hanya 4.1 V, yang bersamaan dengan rintangan 127 mOhm/cm2. Arus kebocoran punca parit ialah 124 nA pada 10 kV.
Semasa eksperimen perbandingan, didapati bahawa, apabila beroperasi pada beban induktif, kehilangan pensuisan dalam transistor karbida silikon adalah 200 kali kurang daripada dalam IGBT 6.5 kV! Kependaman hidupkan hanya 94 ns, dan kependaman mematikan ialah 50 ns; untuk IGBT - 1.4 μs dan 540 ns, masing-masing!
Menggunakan MOSFET silikon karbida 10 kV dan diod Schottky dalam penukar rangsangan (input 500 V, keluaran 5 kV), kecekapan penukar 600 W ialah 91%. Berdasarkan hasil pengiraan, telah ditetapkan bahawa litar yang sama dengan MOSFET silikon konvensional hanya boleh beroperasi dengan frekuensi hanya beberapa ratus Hz. Rajah 5 menunjukkan graf arus dan voltan apabila MOSFET dimatikan. Rajah menunjukkan betapa cepatnya proses sementara berlaku dalam peranti.

nasi. 5. Proses pensuisan MOSFET silikon karbida 10 kV pada frekuensi 20 kHz dan kuasa penukar 600 W.

Dengan peningkatan minat dalam sumber alternatif tenaga, teknologi silikon karbida mempunyai prospek yang luas. Dengan mengurangkan kehilangan kuasa, penggunaan transistor silikon karbida menarik dalam penukar fotovoltaik serta dalam penukar untuk penjana kuasa bahan api fosil pada masa hadapan.