ในทั้งหมด บล็อกที่ถอดเปลี่ยนได้ผู้รับและในพวกเขา ตัวเลือกที่เป็นไปได้มีการใช้ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมเท่านั้น ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโครงสร้าง พี-เอ็น-พีเฉพาะในสเตจเอาต์พุตแบบพุช-พูลของแอมพลิฟายเออร์แบบไม่มีหม้อแปลงเท่านั้น ความถี่เสียง(บล็อก 5) ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งมีโครงสร้าง n-p-nทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมได้รับความนิยมมายาวนานในหมู่นักวิทยุสมัครเล่นและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ที่ออกแบบ นอกจากนี้ ราคาสำหรับสินค้าเหล่านี้ได้ลดลงอย่างมากเมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยมีจำหน่ายในร้านค้าวิทยุที่ฐานการค้า Posyltorg และ Tsentrosoyuz เกือบตลอดเวลาซึ่งสามารถสั่งซื้อทางไปรษณีย์ได้

แต่ทุกวันนี้ ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมซึ่งไม่มีท่าว่าจะมีแนวโน้มดี กำลังเปิดทางให้กับทรานซิสเตอร์ซิลิคอนในอุปกรณ์วิทยุมากขึ้น รวมถึงอุปกรณ์วิทยุสมัครเล่นด้วย นี่คือคำอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนทำงานอยู่ เงื่อนไขที่แตกต่างกันมีเสถียรภาพมากขึ้น ในส่วนนี้เราสามารถเสริมได้ว่าการผลิตทรานซิสเตอร์ซิลิคอนมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่การผลิตทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมกำลังลดลง

ในเรื่องนี้คุณอาจมีคำถาม: เป็นไปได้ไหมที่จะเปลี่ยนทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมด้วยซิลิคอนในบล็อกที่ถอดเปลี่ยนได้ของเครื่องรับที่อธิบายไว้? เป็นไปได้ แต่แน่นอนว่าต้องคำนึงถึงคุณสมบัติบางอย่างด้วย

ที่สุด คุณลักษณะเฉพาะทรานซิสเตอร์ซิลิคอนมีแรงดันไบแอสที่สูงกว่าเมื่อเปิดเครื่อง ดังที่คุณทราบทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมจะเปิดเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าที่ตัวปล่อย ร-พีการเปลี่ยนแปลง 0.1... 0.2 V และซิลิคอนที่แรงดันไฟฟ้า 0.6... 0.7 V ซึ่งหมายความว่าตามทรานซิสเตอร์ซิลิคอนที่ทำงานในโหมดขยายสัญญาณซึ่งสัมพันธ์กับตัวปล่อยจะต้องมีอย่างน้อย 0.6 V โดยมีมากกว่านั้น แรงดันไบแอสต่ำ ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนจะบิดเบือนสัญญาณที่ขยาย โหมดการทำงานเริ่มต้นของทรานซิสเตอร์ซิลิกอนนี้ถูกสร้างขึ้น เช่นเดียวกับทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียม โดยการเลือกค่าตัวต้านทานที่เหมาะสมในวงจรฐาน

ข้าว. 47. วงจรขยายเสียง (บล็อก 6) โดยใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิกอน

ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนส่วนใหญ่มีโครงสร้าง n-p-nซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนเจอร์เมเนียมเป็นบล็อก พี-เอ็น-พีทรานซิสเตอร์บนซิลิคอน n-p-nทรานซิสเตอร์จำเป็นต้องเปลี่ยนไม่เพียงแต่ขั้วของแหล่งจ่ายไฟเท่านั้น แต่ยังต้องเปลี่ยนขั้วของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าด้วย

อันที่จริงนี่คือสิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงถึงเมื่อเปลี่ยนทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมด้วยซิลิคอน สำหรับการสร้างไดอะแกรมวงจรของบล็อกและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟนั้นโดยทั่วไปจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง

ตัวอย่างเช่นในรูป รูปที่ 47 แสดงไดอะแกรมของบล็อก 6 - แอมพลิฟายเออร์เสียงแบบไม่มีหม้อแปลงเดียวกัน แต่มีทรานซิสเตอร์ซิลิกอน มันแตกต่างจากวงจรบล็อกที่ใช้ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมอย่างไร (ดูรูปที่ 38) สาเหตุหลักมาจากขั้วของแหล่งจ่ายไฟและตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์ 6 วี1, 6V2และ 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, โหมดการทำงานของทรานซิสเตอร์ 6 V1ติดตั้งโดยการเลือกตัวต้านทาน 6 R1.แรงดันไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อของตัวปล่อยทรานซิสเตอร์ 6 V3และ 6 V4(จุดสมมาตรของสเตจเอาต์พุตแบบพุช-พูล) ซึ่งเท่ากับครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน ถูกตั้งค่าโดยการเลือกตัวต้านทาน 6 R4, กกระแสวงจรสะสมทรานซิสเตอร์ 6 V3,เท่ากับ 3... 4 mA โดยการเลือกตัวต้านทาน 6 R7.

ให้ความสนใจกับการรวมตัวต้านทาน 6 R6และหัวไดนามิก 1B1.ในคำอธิบาย 1! บล็อกบนทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมตัวต้านทานดังกล่าวเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วลบและหัวกับตัวนำบวกของแหล่งพลังงาน และที่นี่หัวเชื่อมต่อกับตัวนำบวกของแหล่งพลังงานดังนั้นขั้วของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจึงเปลี่ยนไป 6S5,และตัวต้านทาน 6 R6เชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อระหว่างหัวกับตัวเก็บประจุนี้ ด้วยวิธีการเชื่อมต่อตัวต้านทานนี้ผ่านวงจรเอาต์พุตไปยังวงจรฐานของทรานซิสเตอร์สเตจเอาท์พุตจะมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่า - แรงดันไฟฟ้าความถี่เสียงขนาดเล็กที่ทำให้สภาพการทำงานของทรานซิสเตอร์เท่ากัน

ในทุกบล็อกแทนที่จะเป็นพลังงานต่ำความถี่สูงและความถี่ต่ำ พี-เอ็น-พีทรานซิสเตอร์ใช้ดีที่สุด n-p-nทรานซิสเตอร์ของซีรีย์ KT315 ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนกระแสคงที่ 80... 100 แทนที่จะเป็น n-p-nทรานซิสเตอร์ในบล็อก 6 (MP37) - พี-เอ็น-พีทรานซิสเตอร์จากซีรีย์ KT361 ในขั้นตอนเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงกำลังสูง (รูปที่ 40) พี-เอ็น-พีสามารถเปลี่ยนทรานซิสเตอร์-P602 ได้ n-p-nทรานซิสเตอร์ K.T601, KT602, KT603 มีตัวไหนบ้าง? ดัชนีตัวอักษร

ก่อนที่คุณจะเริ่มติดตั้งบล็อกใดบล็อกหนึ่ง ให้ปรับเปลี่ยนก่อน แผนผังโดยคำนึงถึงคำแนะนำที่ให้ไว้ที่นี่ วิธีนี้จะป้องกันข้อผิดพลาดและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับทรานซิสเตอร์

ถือว่าเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญของศตวรรษที่ 20 อย่างถูกต้อง การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ซึ่งเข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศ

เป็นเวลานานแล้วที่โคมไฟเป็นส่วนประกอบเดียวที่ยังทำงานอยู่ อุปกรณ์วิทยุอิเล็กทรอนิกส์แม้ว่าพวกเขาจะมีข้อบกพร่องมากมายก็ตาม ประการแรก ได้แก่ การใช้พลังงานสูง ขนาดใหญ่ อายุการใช้งานสั้น และความแข็งแรงเชิงกลต่ำ ข้อบกพร่องเหล่านี้รู้สึกรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้รับการปรับปรุงและมีความซับซ้อนมากขึ้น

การปฏิวัติทางวิศวกรรมวิทยุเกิดขึ้นเมื่อหลอดไฟที่ล้าสมัยถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ขยายเสียงเซมิคอนดักเตอร์ - ทรานซิสเตอร์ซึ่งปราศจากข้อเสียที่กล่าวมาทั้งหมด

ทรานซิสเตอร์การทำงานตัวแรกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2490 ด้วยความพยายามของพนักงานของ Bell Telephone Laboratories บริษัท อเมริกัน

ชื่อของพวกเขาเป็นที่รู้จักไปทั่วโลกแล้ว เหล่านี้คือนักวิทยาศาสตร์ - นักฟิสิกส์ W. Shockley, D. Bardeen และ W. Brighten ในปี พ.ศ. 2499 ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากสิ่งประดิษฐ์นี้ แต่เช่นเดียวกับสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่อื่นๆ ทรานซิสเตอร์ไม่ได้ถูกสังเกตเห็นในทันที มีหนังสือพิมพ์อเมริกันเพียงฉบับเดียวที่กล่าวถึงว่า Bell Telephone Laboratories สาธิตอุปกรณ์ที่ทางบริษัทสร้างขึ้นเรียกว่าทรานซิสเตอร์ มีการกล่าวที่นั่นด้วยว่าสามารถใช้ในบางสาขาของวิศวกรรมไฟฟ้าแทนได้.

หลอดสุญญากาศ

ทรานซิสเตอร์ที่แสดงอยู่ในรูปกระบอกโลหะขนาดเล็กยาว 13 มม. และแสดงให้เห็นในเครื่องรับที่ไม่มีหลอดสุญญากาศ นอกจากนี้ บริษัทยังรับประกันว่าอุปกรณ์นี้ไม่เพียงแต่ใช้สำหรับการขยายสัญญาณเท่านั้น แต่ยังสำหรับการสร้างหรือแปลงสัญญาณไฟฟ้าอีกด้วย

ข้าว. 1. ทรานซิสเตอร์ตัวแรก

ข้าว. 2. จอห์น บาร์ดีน, วิลเลียม ช็อคลีย์ และวอลเตอร์ แบรตเทน พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลร่วมกันในปี 1956 สำหรับความร่วมมือในการพัฒนาทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานได้ตัวแรกของโลกในปี 1948

แต่ความสามารถของทรานซิสเตอร์ก็เหมือนกับการค้นพบครั้งสำคัญอื่นๆ ที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจและชื่นชมในทันที เพื่อสร้างความสนใจในอุปกรณ์ใหม่นี้ เบลล์ได้ลงโฆษณาอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างหนักในงานสัมมนาและในบทความต่างๆ และมอบใบอนุญาตในการผลิตให้กับทุกคน ผู้ผลิตหลอดอิเล็กทรอนิกส์ไม่เห็นว่าทรานซิสเตอร์เป็นคู่แข่งที่สำคัญ เพราะมันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะลดราคาประวัติความเป็นมาของการผลิตหลอดหลายร้อยการออกแบบหลายร้อยปีในคราวเดียวและมีมูลค่าหลายล้านดอลลาร์ในคราวเดียวการลงทุนเงินสด

ในการพัฒนาและการผลิตของพวกเขา ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงไม่ได้เข้าสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เร็วนักเนื่องจากยุคของหลอดสุญญากาศยังดำเนินอยู่

ข้าว. 3. ทรานซิสเตอร์และหลอดสุญญากาศ

ตั้งแต่สมัยโบราณ วิศวกรรมไฟฟ้าใช้วัสดุสองประเภทเป็นหลัก ได้แก่ ตัวนำและไดอิเล็กทริก (ฉนวน) โลหะ สารละลายเกลือ และก๊าซบางชนิดมีความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าได้ ความสามารถนี้เกิดจากการมีตัวพาประจุฟรี - อิเล็กตรอน - ในตัวนำ ในตัวนำ อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากอะตอมค่อนข้างง่าย แต่สำหรับการส่งผ่าน พลังงานไฟฟ้าโลหะที่เหมาะสมที่สุดคือโลหะที่มีความต้านทานต่ำ (ทองแดง อลูมิเนียม เงิน ทอง)

ลูกถ้วยเป็นสารที่มีความต้านทานสูง อิเล็กตรอนของพวกมันจับกับอะตอมอย่างแน่นหนา ได้แก่เครื่องลายคราม แก้ว ยาง เซรามิค พลาสติก นั่นเป็นเหตุผล ค่าธรรมเนียมฟรีไม่มีและดังนั้นจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าในสารเหล่านี้

ในที่นี้สมควรที่จะนึกถึงสูตรจากตำราฟิสิกส์ที่ว่า กระแสไฟฟ้านี่คือการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ในฉนวนไม่มีอะไรเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการศึกษาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าในวัสดุต่างๆ นักวิจัยบางคนสามารถ "สัมผัส" ผลกระทบของเซมิคอนดักเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องตรวจจับคริสตัลเครื่องแรก (ไดโอด) ถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2417 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน คาร์ล เฟอร์ดินันด์ เบราน์ โดยอาศัยการสัมผัสของตะกั่วและไพไรต์ (ไพไรต์คือเหล็กไพไรต์ เมื่อมันกระทบเก้าอี้จะเกิดประกายไฟ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงได้ชื่อมาจากภาษากรีกว่า "pir" - ไฟ) ต่อมาตัวตรวจจับนี้สามารถแทนที่ตัวเชื่อมโยงในเครื่องรับตัวแรกได้สำเร็จ ซึ่งทำให้ความไวของพวกมันเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ในปี 1907 Boeddeker ขณะศึกษาการนำไฟฟ้าของคอปเปอร์ไอโอไดด์ พบว่าค่าการนำไฟฟ้าของมันเพิ่มขึ้น 24 เท่าเมื่อมีไอโอดีนเจือปน แม้ว่าไอโอดีนจะไม่ใช่ตัวนำก็ตาม แต่ทั้งหมดนี้เป็นการค้นพบแบบสุ่มที่ไม่สามารถพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ได้ การศึกษาเซมิคอนดักเตอร์อย่างเป็นระบบเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2463 - 2473 เท่านั้น

ในยุคแรกของการผลิตทรานซิสเตอร์ สารกึ่งตัวนำหลักคือเจอร์เมเนียม (Ge) ในแง่ของการใช้พลังงานนั้นประหยัดมากแรงดันไฟฟ้าในการปลดล็อคของจุดเชื่อมต่อ pn อยู่ที่ 0.1 ... 0.3 V แต่พารามิเตอร์หลายตัวไม่เสถียรดังนั้นซิลิคอน (Si) จึงเข้ามาแทนที่

อุณหภูมิที่ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมทำงานนั้นไม่เกิน 60 องศา ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนสามารถทำงานได้ต่อไปที่ 150 องศา ซิลิคอนในฐานะเซมิคอนดักเตอร์มีคุณสมบัติเหนือกว่าเจอร์เมเนียมในคุณสมบัติอื่นๆ โดยหลักอยู่ที่ความถี่

นอกจากนี้ปริมาณสำรองของซิลิคอน (ทรายทั่วไปบนชายหาด) ในธรรมชาตินั้นไม่มีขีดจำกัด และเทคโนโลยีสำหรับการทำให้บริสุทธิ์และการประมวลผลนั้นง่ายกว่าและราคาถูกกว่าธาตุเจอร์เมเนียมซึ่งหาได้ยากในธรรมชาติ ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนตัวแรกปรากฏขึ้นไม่นานหลังจากเจอร์เมเนียมตัวแรก - ในปี 1954 เหตุการณ์นี้ยังทำให้เกิดชื่อใหม่ว่า "ยุคซิลิคอน" เพื่อไม่ให้สับสนกับยุคหิน!

ข้าว. 4. วิวัฒนาการของทรานซิสเตอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์และเซมิคอนดักเตอร์ ความเสื่อมถอยของ “ยุคซิลิคอน”

คุณเคยสงสัยบ้างไหมว่าทำไม เมื่อเร็วๆ นี้คอมพิวเตอร์เกือบทั้งหมดกลายเป็น multi-core หรือไม่? คำว่า dual-core หรือ quad-core อยู่บนริมฝีปากของทุกคน ความจริงก็คือการเพิ่มประสิทธิภาพของไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นด้วย ความถี่สัญญาณนาฬิกาและการเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ในแพ็คเกจเดียวสำหรับโครงสร้างซิลิคอนเกือบจะเข้าใกล้ขีดจำกัดแล้ว

การเพิ่มจำนวนเซมิคอนดักเตอร์ในแพ็คเกจเดียวทำได้โดยการลดขนาดลง มิติทางกายภาพ- ในปี 2554 บริษัทอินเทลได้พัฒนาเทคโนโลยีการผลิตขนาด 32 นาโนเมตร โดยช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์จะมีความยาวเพียง 20 นาโนเมตรเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การลดลงดังกล่าวไม่ได้ทำให้ความถี่สัญญาณนาฬิกาเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เช่นเดียวกับเทคโนโลยี 90 นาโนเมตร เป็นที่ชัดเจนอย่างยิ่งว่าถึงเวลาที่ต้องก้าวไปสู่สิ่งใหม่โดยพื้นฐานแล้ว

ทรานซิสเตอร์(ทรานซิสเตอร์) – องค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์มีสามพิน (ปกติ) ซึ่งหนึ่งในนั้น ( นักสะสม) มีการจ่ายกระแสไฟแรงและอื่น ๆ ( ฐาน) ทำหน้าที่อ่อนแอ ( ควบคุมกระแส- ที่ความแรงของกระแสควบคุมระดับหนึ่ง จะเหมือนกับว่าวาล์ว "เปิด" และกระแสไฟ จากนักสะสมเริ่มไหล บนเอาท์พุทที่สาม ( ตัวส่ง).

นั่นก็คือทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่ง วาล์วซึ่งจะลดความต้านทานลงอย่างรวดเร็วและส่งกระแสต่อไป (จากตัวสะสมไปยังตัวปล่อย) สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากภายใต้เงื่อนไขบางประการหลุมที่มีอิเล็กตรอนจะสูญเสียมันไปการยอมรับอันใหม่และอื่น ๆ เป็นวงกลม หากไม่มีกระแสไฟฟ้าจ่ายไปที่ฐาน ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสถานะสมดุลและจะไม่ส่งกระแสไปยังตัวปล่อย

ในชิปอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ จำนวนของทรานซิสเตอร์ ตัวเลขเป็นพันล้าน- ใช้สำหรับการคำนวณเป็นหลักและประกอบด้วยการเชื่อมต่อที่ซับซ้อน

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ ได้แก่ : ซิลิคอน, แกลเลียมอาร์เซไนด์และ เจอร์เมเนียม- นอกจากนี้ยังมีทรานซิสเตอร์ ท่อนาโนคาร์บอน, โปร่งใสสำหรับการแสดงผล จอแอลซีดีและ พอลิเมอร์(มีแนวโน้มมากที่สุด)

ประเภทของทรานซิสเตอร์:

ไบโพลาร์– ทรานซิสเตอร์ซึ่งตัวพาประจุสามารถเป็นได้ทั้งอิเล็กตรอนและ “รู” กระแสสามารถไหลได้เช่น ไปทางตัวปล่อย, ดังนั้น ไปทางนักสะสม- เพื่อควบคุมการไหล จะใช้กระแสควบคุมบางอย่าง

– อุปกรณ์ทั่วๆ ไปซึ่งกระแสไฟฟ้าถูกควบคุมผ่านสนามไฟฟ้า นั่นคือเมื่อเกิดสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ขึ้น สนามก็จะจับอิเล็กตรอนได้มากขึ้นและไม่สามารถถ่ายโอนประจุต่อไปได้ นั่นคือนี่คือวาล์วชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนปริมาณประจุที่ถ่ายโอนได้ (หากควบคุมทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม พี—n— การเปลี่ยนแปลง) คุณสมบัติที่โดดเด่นทรานซิสเตอร์เหล่านี้มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงและอัตราขยายสูง

รวม– ทรานซิสเตอร์ที่มีตัวต้านทานรวมกัน หรือทรานซิสเตอร์อื่น ๆ ในเรือนเดียว พวกเขาให้บริการเพื่อวัตถุประสงค์ต่าง ๆ แต่ส่วนใหญ่เพื่อเพิ่มผลกำไรในปัจจุบัน

ประเภทย่อย:

ไบโอทรานซิสเตอร์– ขึ้นอยู่กับโพลีเมอร์ชีวภาพที่สามารถนำไปใช้ในการแพทย์และเทคโนโลยีชีวภาพได้โดยไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต มีการวิจัยเกี่ยวกับ metalloproteins, คลอโรฟิลล์ A (ที่ได้มาจากผักโขม) และไวรัสโมเสกยาสูบ

ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว– ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียในปี 1996- สามารถทำงานที่ อุณหภูมิห้องไม่เหมือนรุ่นก่อน หลักการทำงานคล้ายกับทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก แต่จะละเอียดกว่า เครื่องส่งสัญญาณคืออิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ทรานซิสเตอร์นี้เรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์นาโนและควอนตัม ด้วยการใช้เทคโนโลยีนี้ ในอนาคตพวกเขาหวังว่าจะสร้างทรานซิสเตอร์ที่มีขนาด น้อยกว่า 10 นาโนเมตรขึ้นอยู่กับ กราฟีน.

ทรานซิสเตอร์ใช้ทำอะไร?

ทรานซิสเตอร์ถูกนำมาใช้ใน วงจรขยายเสียง, โคมไฟ, มอเตอร์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อื่นๆ ตามความจำเป็น การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วแอมแปร์หรือตำแหน่ง บนปิด- ทรานซิสเตอร์สามารถจำกัดกระแสหรือ ได้อย่างราบรื่นหรือโดยวิธีการ ชีพจร—หยุดชั่วคราว- อันที่สองมักใช้สำหรับ -control มากกว่า การใช้แหล่งพลังงานอันทรงพลังจะควบคุมมันด้วยกระแสไฟอ่อน

หากกระแสไฟฟ้าไม่เพียงพอที่จะเปิดวงจรทรานซิสเตอร์ให้ใช้ ทรานซิสเตอร์หลายตัวมีความไวมากขึ้น เชื่อมต่อกันในลักษณะเรียงซ้อน

ทรานซิสเตอร์อันทรงพลังที่เชื่อมต่อในแพ็คเกจตั้งแต่หนึ่งแพ็คเกจขึ้นไปนั้นถูกใช้อย่างสมบูรณ์ เครื่องขยายเสียงดิจิตอลขึ้นอยู่กับ พวกเขามักจะต้องการ ความเย็นเพิ่มเติม - ในรูปแบบส่วนใหญ่พวกเขาจะทำงานเข้า โหมดคีย์(ในโหมดสวิตช์)

ทรานซิสเตอร์ก็ใช้เช่นกัน ในระบบไฟฟ้าทั้งแบบดิจิตอลและอนาล็อก ( เมนบอร์ด , การ์ดแสดงผล, แหล่งจ่ายไฟและอื่นๆ)

เซ็นทรัล โปรเซสเซอร์ยังประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายล้านและพันล้านตัวที่เชื่อมต่อกันตามลำดับเฉพาะทาง การคำนวณ.

ทรานซิสเตอร์แต่ละกลุ่มจะเข้ารหัสสัญญาณด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งและส่งต่อไปเพื่อการประมวลผล ทุกประเภทและ รอมความทรงจำยังประกอบด้วยทรานซิสเตอร์

ทั้งหมด ความสำเร็จของไมโครอิเล็กทรอนิกส์จะเป็นได้จริง เป็นไปไม่ได้โดยไม่มีการประดิษฐ์และใช้ทรานซิสเตอร์ เป็นการยากที่จะจินตนาการถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างน้อยหนึ่งเครื่องที่ไม่มีทรานซิสเตอร์อย่างน้อยหนึ่งตัว

• การแปล

ในการสาธิตการทำงานของแนวคิดนี้ ผู้เขียนและทีมงานของเขาได้สร้างพื้นผิวเจอร์เมเนียมบนฉนวนเพื่อสร้างอินเวอร์เตอร์ที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แนวระนาบตัวแรกและทรานซิสเตอร์ FinFET

เกือบ 70 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ของ Bell Telephone Lab สองคน ได้แก่ John Bardeen และ Walter Brattain ได้กดหน้าสัมผัสทองคำบาง ๆ สองอันลงในแผ่นเวเฟอร์เจอร์เมเนียม และทำการสัมผัสครั้งที่สามที่ด้านล่างของแผ่นเวเฟอร์ กระแสที่ไหลผ่านโครงสร้างนี้สามารถนำไปใช้ในการแปลงได้ สัญญาณอ่อนในความแข็งแกร่ง ผลลัพธ์ที่ได้คือแอมพลิฟายเออร์และสวิตช์ทรานซิสเตอร์ตัวแรกซึ่งอาจกลายเป็น สิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดศตวรรษที่ 20 ต้องขอบคุณกฎของมัวร์ที่ทำให้ทรานซิสเตอร์มีคอมพิวเตอร์ที่ก้าวหน้าเกินกว่าที่ดูเหมือนจะเป็นไปได้ในทศวรรษ 1950

แม้ว่าเจอร์เมเนียมจะมีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ยุคแรกของทรานซิสเตอร์ แต่ในไม่ช้า เจอร์เมเนียมก็ถูกแทนที่ด้วยซิลิคอน แต่ตอนนี้น่าประหลาดใจที่เนื้อหานี้พร้อมที่จะกลับมาอีกครั้ง ผู้นำในอุตสาหกรรมชิปกำลังพิจารณาการเปลี่ยนส่วนประกอบที่เป็นหัวใจสำคัญของทรานซิสเตอร์ ซึ่งเป็นช่องทางส่งกระแสไฟ แนวคิดคือการแทนที่ซิลิคอนด้วยวัสดุที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ดีขึ้น การสร้างทรานซิสเตอร์ด้วยช่องสัญญาณเหล่านี้สามารถช่วยให้วิศวกรปรับปรุงความเร็วของวงจรและประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งนำไปสู่คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ดีขึ้นในปีต่อๆ ไป

สนใจมานานแล้ว ช่องทางอื่นโคจรรอบสารประกอบ A III B V เช่น แกลเลียม อาร์เซไนด์ ซึ่งมีอะตอมอยู่ทางซ้ายและขวาของซิลิคอนในตารางธาตุ และฉันได้เข้าร่วมในการศึกษาครั้งนั้น แปดปีที่แล้ว ฉันได้สรุปความคืบหน้าในการสร้างทรานซิสเตอร์โดยใช้การเชื่อมต่อดังกล่าว

ทรานซิสเตอร์สองตัวในอินเวอร์เตอร์ FinFET มีช่องครีบที่ยื่นออกมาจากระนาบของวัสดุพิมพ์ (ด้านบน - ช่องสีชมพู ด้านล่าง - มุมมองเฉียงของอีกชุดหนึ่ง) ระยะห่างระหว่าง “ครีบ” ที่อยู่ด้านบนสุดคือหลายสิบนาโนเมตร

แต่ด้วยเหตุนี้ เราจึงค้นพบว่าแนวทาง A III B V มีข้อจำกัดทางกายภาพขั้นพื้นฐาน นอกจากนี้ยังอาจมีราคาแพงและซับซ้อนเกินไปในการรวมเข้ากับเทคโนโลยีซิลิคอนที่มีอยู่ เมื่อไม่กี่ปีก่อน ทีมงานของผมที่มหาวิทยาลัย Purdue เริ่มทดลองกับอุปกรณ์อื่น นั่นคือ ทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณทำจากเจอร์เมเนียม ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เราได้สาธิตวงจร CMOS (วงจรเสริมโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) วงจรแรก ประมาณตรรกะเดียวกันที่อยู่ข้างใน คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ผลิตจากเจอร์เมเนียมที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนทั่วไปเท่านั้น นอกจากนี้เรายังได้สร้างสถาปัตยกรรมทรานซิสเตอร์ที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งจากวัสดุนี้ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์สายนาโนที่อาจเป็นก้าวต่อไปในการผลิตเมื่อ FinFET ทรานซิสเตอร์ที่ดีที่สุดในปัจจุบันไม่สามารถทำให้เล็กลงได้อีกต่อไป

และสิ่งที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือปรากฎว่าการนำเจอร์เมเนียมกลับมาใช้อีกครั้งนั้นไม่ใช่เรื่องยากอย่างที่คิด ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมผสมกันในช่องสัญญาณสามารถพบได้ในชิปตัวใหม่ และปรากฏตัวครั้งแรกในปี 2558 ในการสาธิตเทคโนโลยีชิปในอนาคตจาก IBM การพัฒนาเหล่านี้อาจเป็นก้าวแรกในอุตสาหกรรมที่ต้องการแนะนำเจอร์เมเนียมในปริมาณที่เพิ่มมากขึ้นในช่องทางต่างๆ ในอีกไม่กี่ปี เราอาจพบว่าวัสดุที่ให้ทรานซิสเตอร์แก่เราช่วยนำพาพวกเขาเข้าสู่ยุคใหม่ของประสิทธิภาพที่ไม่ธรรมดา

เจอร์เมเนียมถูกแยกออกครั้งแรกและค้นพบโดยนักเคมีชาวเยอรมัน Clemens Winkler เมื่อปลายศตวรรษที่ 19 วัสดุนี้ตั้งชื่อตามบ้านเกิดของนักวิทยาศาสตร์และถือเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าที่ไม่ดีมาโดยตลอด สิ่งนี้เปลี่ยนแปลงไปในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อมีการค้นพบคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ของเจอร์เมเนียม ซึ่งก็คือความสามารถในการสลับระหว่างการนำไฟฟ้าและการปิดกั้นกระแสไฟฟ้า ในช่วงหลังสงคราม อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เจอร์เมเนียมมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในสหรัฐอเมริกา การผลิตซึ่งตอบสนองต่อความต้องการของตลาด เพิ่มขึ้นจากไม่กี่ร้อยปอนด์ในปี พ.ศ. 2489 เป็น 45 ตันในปี พ.ศ. 2503 แต่ซิลิคอนชนะ มันได้กลายเป็นวัสดุยอดนิยมสำหรับชิปลอจิกและหน่วยความจำ

และมีเหตุผลที่ดีสำหรับการครอบงำของซิลิคอน ประการแรกมีมากกว่านี้และราคาถูกกว่า ซิลิคอนมีช่องว่างระหว่างแถบกว้างกว่า ซึ่งเป็นอุปสรรคด้านพลังงานที่ต้องเอาชนะเพื่อสร้างการนำไฟฟ้า ยิ่งโซนนี้ใหญ่ขึ้นเท่าใด กระแสไฟฟ้ารั่วผ่านอุปกรณ์ในช่วงเวลาที่ไม่จำเป็นก็จะยิ่งยากขึ้นและสิ้นเปลืองพลังงานเท่านั้น นอกจากนี้ ซิลิคอนยังมีค่าการนำความร้อนที่ดีกว่า ซึ่งทำให้กระจายความร้อนได้ง่ายขึ้น เพื่อไม่ให้วงจรร้อนเกินไป

เมื่อพิจารณาถึงคุณประโยชน์ทั้งหมดแล้ว เป็นเรื่องปกติที่จะสงสัยว่าทำไมเราถึงพิจารณาส่งเจอร์เมเนียมกลับคืนสู่ช่องทางด้วยซ้ำ คำตอบคือความคล่องตัว อิเล็กตรอนในเจอร์เมเนียมเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิห้องได้ง่ายกว่าซิลิคอนเกือบสามเท่า และรู—การไม่มีอิเล็กตรอนในวัสดุซึ่งถือเป็นประจุบวก—จะเคลื่อนที่ด้วยความเต็มใจเกือบสี่เท่า

ออสซิลเลเตอร์วงแหวน CMOS เก้าสเตจที่เปิดตัวในปี 2015

ความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนและรูสามารถเคลื่อนที่ได้มากในเจอร์เมเนียม ทำให้เป็นตัวเลือกที่สะดวกสำหรับวงจร CMOS CMOS รวมสองเข้าด้วยกัน ประเภทต่างๆทรานซิสเตอร์: p-channel FET (pFET) ซึ่งมีช่องที่มีรูอิสระมากเกินไป และ n-channel FET (nFET) ซึ่งมีอิเล็กตรอนมากเกินไป ยิ่งพวกมันเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ วงจรก็จะทำงานเร็วขึ้นเท่านั้น และการลดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายหมายถึงการลดการใช้พลังงาน

แน่นอนว่าเจอร์เมเนียมไม่ใช่วัสดุชนิดเดียวที่สามารถเคลื่อนที่ของอนุภาคได้ สารประกอบ A III B V ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ เช่น อินเดียมอาร์เซไนด์และแกลเลียมอาร์เซไนด์ ยังมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงอีกด้วย อิเล็กตรอนในอินเดียมอาร์เซไนด์เคลื่อนที่ได้มากกว่าซิลิคอนเกือบ 30 เท่า แต่ปัญหาก็คือคุณสมบัตินี้ใช้ไม่ได้กับรู - พวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้มากไปกว่าที่พบในซิลิคอน และข้อจำกัดนี้ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้าง pFET ความเร็วสูง และการไม่มี pFET ความเร็วสูงจะขัดขวางการผลิตวงจร CMOS ที่รวดเร็ว เนื่องจากพวกมันไม่สามารถทำงานด้วยความเร็วการทำงานของ nFET และ pFET ที่แตกต่างกันมาก

ทางออกหนึ่งคือใช้วัสดุแต่ละชนิดให้เกิดประโยชน์สูงสุด นักวิจัยในห้องปฏิบัติการหลายแห่ง เช่น European Semiconductor Research Organisation Imec และ IBM Zurich Laboratory ได้แสดงวิธีสร้างวงจรโดยที่ช่อง nFET ทำจากสารประกอบ A III B V และ pFET ทำจากเจอร์เมเนียม แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะทำให้วงจรทำงานได้เร็วมาก แต่ก็เพิ่มความซับซ้อนอย่างมากให้กับการผลิต

ดังนั้นเราจึงชอบวิธีง่ายๆ กับเจอร์เมเนียม ช่องเจอร์เมเนียมควรเพิ่มประสิทธิภาพและปัญหาการผลิตจะไม่ร้ายแรงเท่าที่ควร

เยอรมนีเป็นยังไงบ้าง?

สำหรับเจอร์เมเนียมหรือวัสดุทางเลือกใดๆ ที่จะนำไปผลิตได้ จะต้องหาวิธีเพิ่มลงในเวเฟอร์ซิลิคอนที่ใช้ในการผลิตชิปในปัจจุบัน โชคดีที่มีหลายวิธีในการสะสมชั้นเจอร์เมเนียมไว้บนพื้นผิวซิลิกอน ซึ่งสามารถนำมาใช้สร้างช่องได้ การใช้ชั้นบางๆ จะช่วยขจัดปัญหาสำคัญสองประการของเจอร์เมเนียม ได้แก่ ต้นทุนที่สูงเมื่อเทียบกับซิลิคอน และการนำความร้อนที่ค่อนข้างต่ำ

แต่การที่จะแทนที่ซิลิคอนในทรานซิสเตอร์ แค่ดันเจอร์เมเนียมคุณภาพสูงบางๆ ลงไปนั้นยังไม่เพียงพอ ช่องสัญญาณจะต้องทำงานได้อย่างไร้ที่ติกับส่วนประกอบอื่นๆ ของทรานซิสเตอร์

ชิป CMOS สมัยใหม่ที่แพร่หลายใช้ทรานซิสเตอร์แบบ MOS (ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ - MOSFET) มีสี่ส่วนพื้นฐาน แหล่งที่มาและการระบายน้ำ – จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเคลื่อนไหวในปัจจุบัน ช่องที่เชื่อมต่อกัน ประตูที่ทำหน้าที่เป็นวาล์วที่ควบคุมการมีอยู่ของกระแสในช่อง

ในความเป็นจริง ทรานซิสเตอร์คุณภาพสูงยังประกอบด้วยส่วนผสมอื่นๆ อีกด้วย สิ่งที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือฉนวนประตูซึ่งป้องกัน ไฟฟ้าลัดวงจรประตูและช่อง อะตอมในเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน เจอร์เมเนียม และสารประกอบ A III B V ถูกจัดเรียงเป็นสามมิติ ไม่สามารถสร้างพื้นผิวที่เรียบสมบูรณ์แบบได้ ดังนั้นอะตอมที่ด้านบนของช่องจะมีพันธะที่ยื่นออกมาหลายอัน คุณต้องมีฉนวนที่เชื่อมพันธะเหล่านี้ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และกระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างฟิล์มหรือการกัดพื้นผิว หากทำไม่ดี คุณจะพบช่องที่มี "หลุมบ่อไฟฟ้า" ซึ่งเต็มไปด้วยสถานที่ที่ผู้ให้บริการชาร์จติดอยู่ชั่วคราว ส่งผลให้ความคล่องตัวลดลง และส่งผลให้ความเร็วของอุปกรณ์ลดลง

ซ้าย: A III B V nFET และเจอร์เมเนียม pFET ซึ่งเป็นชิ้นส่วนของวัสดุทั้งสองที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนที่หุ้มฉนวน
ขวา: ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวทำจากเจอร์เมเนียมที่ยึดติดกับสารตั้งต้น

โชคดีที่ธรรมชาติได้ให้ซิลิคอนเป็นฉนวนตามธรรมชาติที่ตรงกับโครงสร้างผลึกของมันเป็นอย่างดี นั่นก็คือ ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) และถึงแม้จะพบฉนวนที่แปลกใหม่กว่าในทรานซิสเตอร์สมัยใหม่ แต่ก็ยังมีชั้นออกไซด์บาง ๆ ซึ่งทำหน้าที่กั้นช่องซิลิคอน เนื่องจากซิลิคอนและ SiO 2 มีโครงสร้างคล้ายกัน ชั้นที่ทำขึ้นมาอย่างดีของ SiO 2 จะจับพันธะอิสระได้ 99,999 จาก 100,000 พันธะ และมีพันธะอิสระประมาณนั้นจำนวนมากต่อตารางเซนติเมตรของซิลิคอน

แกลเลียมอาร์เซไนด์และสารประกอบ A III B V อื่นๆ ไม่มีออกไซด์ตามธรรมชาติ แต่เจอร์เมเนียมมี ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้ว มันควรจะเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการสร้างฟิล์มกรองแสง ปัญหาคือเจอร์เมเนียมไดออกไซด์ (GeO 2 ) อ่อนกว่า SiO 2 และสามารถดูดซับและละลายได้ด้วยน้ำที่ใช้ทำความสะอาดพื้นผิวในระหว่างการผลิตชิป ที่แย่กว่านั้นคือกระบวนการการเติบโตของ GeO 2 นั้นควบคุมได้ยาก อุปกรณ์ในอุดมคติต้องใช้ GeO 2 ชั้นที่มีความหนา 1-2 นาโนเมตร แต่ในความเป็นจริงแล้ว การทำชั้นให้บางกว่า 20 นาโนเมตรนั้นทำได้ยากกว่า

นักวิจัยได้ศึกษาทางเลือกต่างๆ ศาสตราจารย์กฤษณะ สารวัตรแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งกระตุ้นความสนใจในการใช้เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุทางเลือกย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษปี 2000 ได้ทำการศึกษาเซอร์โคเนียเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นวัสดุคงที่ไดอิเล็กทริกสูงชนิดที่ใช้ในทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงในปัจจุบัน จากงานของพวกเขา ทีมงานจาก Imec ในเบลเยียมได้สำรวจสิ่งที่สามารถทำได้ด้วยชั้นซิลิคอนที่บางเฉียบ เพื่อปรับปรุงส่วนเชื่อมต่อระหว่างเจอร์เมเนียมกับวัสดุที่คล้ายกัน

แต่การสร้างทู่เจอร์เมเนียมได้รับการปรับปรุงอย่างมากในปี 2554 เมื่อทีมงานของศาสตราจารย์ชินอิจิ ทาคางิจากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้สาธิตวิธีการควบคุมการเติบโตของฉนวนเจอร์เมเนียม ขั้นแรก นักวิจัยได้ขยายชั้นฉนวนอลูมิเนียมออกไซด์ขนาดนาโนเมตรบนช่องเจอร์เมเนียม หลังจากนั้นก็นำไปใส่ในห้องออกซิเจน ออกซิเจนบางส่วนผ่านชั้นอลูมิเนียมออกไซด์ไปยังเจอร์เมเนียมด้านล่าง และผสมกับมันจนเกิดเป็นชั้นออกไซด์บาง ๆ (สารประกอบของเจอร์เมเนียมกับออกซิเจน แต่ในทางเทคนิคแล้วไม่ใช่ GeO 2) อะลูมิเนียมออกไซด์ไม่เพียงแต่ช่วยควบคุมการเติบโต แต่ยังทำหน้าที่อีกด้วย เคลือบป้องกันสำหรับชั้นที่มีความเสถียรน้อยกว่า

ช่องนาโนไวร์

เมื่อหลายปีก่อน โดยได้รับแรงบันดาลใจจากการค้นพบนี้ และด้วยความยากลำบากในการสร้าง pFET ด้วยช่อง A III B V กลุ่มของฉันที่ Purdue จึงเริ่มสำรวจวิธีสร้างทรานซิสเตอร์โดยใช้ช่องเจอร์เมเนียม เราเริ่มต้นด้วยการใช้ซับสเตรตเจอร์เมเนียมบนฉนวนที่พัฒนาโดย Soitec ผู้ผลิตชาวฝรั่งเศส เหล่านี้เป็นพื้นผิวซิลิกอนมาตรฐานที่มีชั้นฉนวนอยู่ใต้ชั้นเจอร์เมเนียม 100 นาโนเมตร

ด้วยวัสดุพิมพ์เหล่านี้ จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างทรานซิสเตอร์โดยที่ชิ้นส่วนมาตรฐานทั้งหมด - แหล่งกำเนิด ช่องทาง และท่อระบาย - ทำจากเจอร์เมเนียม ผู้ผลิตทรานซิสเตอร์ไม่จำเป็นต้องปฏิบัติตามการออกแบบนี้ แต่ช่วยให้เราศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของอุปกรณ์เจอร์เมเนียมได้ง่ายขึ้น

อุปสรรคแรกประการหนึ่งคือการต่อสู้กับความต้านทานระหว่างแหล่งกำเนิดและการระบายของทรานซิสเตอร์และอิเล็กโทรดโลหะที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน โลกภายนอก- ความต้านทานเกิดขึ้นจากสิ่งกีดขวาง Schottky อิเล็กทรอนิกส์ตามธรรมชาติที่ปรากฏ ณ จุดที่สัมผัสกันระหว่างโลหะกับเซมิคอนดักเตอร์ ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนได้รับการปรับปรุงอย่างไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยเพื่อลดอุปสรรคนี้ให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อให้ตัวพาประจุสามารถเอาชนะมันได้อย่างง่ายดาย แต่อุปกรณ์เจอร์เมเนียมต้องการโซลูชันทางวิศวกรรมที่ชาญฉลาด เนื่องจากความแตกต่างของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ รูจึงสามารถเคลื่อนที่จากโลหะไปยังเจอร์เมเนียมได้อย่างง่ายดาย แต่มีอิเล็กตรอนไม่มากนัก ซึ่งหมายความว่า nFET ที่อาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมีความต้านทาน การสูญเสียความร้อน และการสูญเสียกระแสไฟฟ้าที่สูงมาก

วิธีมาตรฐานในการทำสิ่งกีดขวางให้บางลงคือการเติมสารเจือปนลงในแหล่งกำเนิดและระบายออก ฟิสิกส์ของกระบวนการนี้ซับซ้อน แต่ก็สามารถจินตนาการได้ด้วยวิธีนี้: อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์มากขึ้นทำให้เกิดประจุอิสระมากขึ้น ด้วยตัวพาประจุฟรีจำนวนมาก ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดโลหะกับแหล่งกำเนิดเซมิคอนดักเตอร์และท่อระบายจึงดีขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มเอฟเฟกต์อุโมงค์

น่าเสียดายที่เทคโนโลยีนี้ใช้งานได้แย่กับเจอร์เมเนียมมากกว่าซิลิกอน วัสดุไม่สามารถทนทานต่อความเข้มข้นสูงของสารเจือปนจากการผสม แต่เราสามารถใช้สถานที่เหล่านั้นซึ่งมีความหนาแน่นของสิ่งสกปรกสูงสุดได้

ในการทำเช่นนี้ เราจะใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าสารเจือปนถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่โดยสนามไฟฟ้าสูงพิเศษที่ผลักไอออนเข้าไปในวัสดุ อะตอมเหล่านี้บางส่วนหยุดทันที ในขณะที่อะตอมอื่นๆ เจาะลึกลงไป ผลลัพธ์ที่คุณจะได้รับ การกระจายตัวแบบปกติ: ความเข้มข้นของอะตอมเจือปนที่ความลึกระดับหนึ่งจะสูงสุดแล้วเมื่อเคลื่อนที่ลึกลงไปหรือลึกขึ้น ทิศทางย้อนกลับจะลดลง หากเราฝังแหล่งกำเนิดและระบายอิเล็กโทรดลงในเซมิคอนดักเตอร์ เราก็สามารถวางอิเล็กโทรดไว้ในตำแหน่งที่มีความเข้มข้นของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์สูงที่สุด ซึ่งช่วยลดปัญหาการต้านทานการสัมผัสได้อย่างมาก

หน้าสัมผัสจะถูกจุ่มลงในระดับความลึกของความเข้มข้นสูงสุดของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์

ไม่ว่าผู้ผลิตชิปจะใช้แนวทางนี้เพื่อลดอุปสรรค Schottky ในเยอรมนีหรือไม่ก็ตาม ถือเป็นการสาธิตศักยภาพที่เป็นประโยชน์ ในช่วงเริ่มต้นของการวิจัย สิ่งที่ดีที่สุดที่เจอร์เมเนียม nFET แสดงคือกระแส 100 µA ต่อ µm ของความกว้าง ในปี 2014 ที่การประชุม VLSI Technology and Circuits Symposium ในฮาวาย เราได้รายงานเกี่ยวกับเจอร์เมเนียม nFET ที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า 10 เท่า ซึ่งเทียบได้กับซิลิคอนโดยคร่าวๆ หกเดือนต่อมา เราได้สาธิตวงจรแรกที่มีเจอร์เมเนียม nFET และ pFET ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิปลอจิกสมัยใหม่

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เราได้ใช้เจอร์เมเนียมเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ขั้นสูง เช่น FinFET ซึ่งเป็นเทคโนโลยีล้ำสมัย เรายังสร้างทรานซิสเตอร์สายนาโนโดยใช้เจอร์เมเนียม ซึ่งสามารถทดแทน FinFET ได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

การพัฒนาเหล่านี้มีความจำเป็นก่อนที่เจอร์เมเนียมจะสามารถนำมาใช้ในการผลิตจำนวนมากได้ เนื่องจากจะช่วยให้สามารถควบคุมช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์ได้ดีขึ้น ต้องขอบคุณ bandgap ขนาดเล็กของเจอร์เมเนียม ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวจึงต้องการพลังงานเพียงหนึ่งในสี่ที่จำเป็นในการสลับไปสู่สถานะการนำไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ซิลิคอน สิ่งนี้เปิดโอกาสให้เกิดการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำ แต่ยังทำให้มีความเป็นไปได้มากขึ้นที่กระแสไฟฟ้าจะรั่วเมื่อไม่ควรเกิดขึ้น อุปกรณ์ที่มีการควบคุมช่องสัญญาณที่ดีกว่าจะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถใช้ประโยชน์จาก bandgap ที่ต่ำได้โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน

เราเริ่มต้นได้ดีแล้ว แต่เรายังมีงานที่ต้องทำ ตัวอย่างเช่น จำเป็นต้องมีการทดลองเพิ่มเติมบนพื้นผิวเพื่อแสดงทรานซิสเตอร์ที่มีช่องเจอร์เมเนียมคุณภาพสูง จำเป็นต้องมีการปรับปรุงการออกแบบเพื่อเพิ่มความเร็ว

แน่นอนว่าเจอร์เมเนียมไม่ใช่ทางเลือกเดียวสำหรับทรานซิสเตอร์ในอนาคต นักวิจัยยังคงศึกษาสารประกอบ A III B V ซึ่งสามารถใช้ได้ทั้งร่วมกับเจอร์เมเนียมและแยกกัน ปริมาณ การปรับปรุงที่เป็นไปได้ทรานซิสเตอร์มีขนาดใหญ่มาก รายการนี้รวมถึงทรานซิสเตอร์ท่อนาโนคาร์บอน สวิตช์แนวตั้ง วงจรสามมิติ ช่องที่ทำจากส่วนผสมของเจอร์เมเนียมและดีบุก และทรานซิสเตอร์ที่ใช้หลักการของอุโมงค์ควอนตัม

ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เราอาจปรับเปลี่ยนเทคโนโลยีบางอย่างที่ระบุไว้ แต่การเติมเจอร์เมเนียมแม้จะผสมกับซิลิคอนก็เป็นวิธีแก้ปัญหาที่จะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถปรับปรุงทรานซิสเตอร์ต่อไปได้ในอนาคตอันใกล้นี้ เจอร์เมเนียมซึ่งเป็นวัสดุผู้ก่อตั้งยุคเซมิคอนดักเตอร์ อาจเป็นยาครอบจักรวาลสำหรับทศวรรษหน้า

แท็ก:

• ทรานซิสเตอร์
• เจอร์เมเนียม

เพิ่มแท็ก

ในปัจจุบัน อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ ได้แก่ ไดโอด Schottky กำลังสูงและทรานซิสเตอร์ MOSFET ถูกนำมาใช้มากขึ้นเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับเทคโนโลยีตัวแปลงกำลังสูง เทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์ได้นำการปรับปรุงที่สำคัญมาสู่การผลิต MOSFET ทำให้เป็นคู่แข่งกับ IGBT ของซิลิคอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงแรงดันไฟฟ้าสูง

ลองใช้ MOSFET 1200-V 4H-SiC ทรานซิสเตอร์นี้ใช้ซับสเตรตคุณภาพสูง ปรับปรุงคุณภาพของชั้นเอปิเทกเซียล และปรับการออกแบบสำหรับกระบวนการผลิตให้เหมาะสม นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของพาหะก็เพิ่มขึ้นด้วยการใช้ไนไตรดิง ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นเหนือกว่าทรานซิสเตอร์ซิลิกอนเนื่องจากมีแถบแบนด์ที่ขยายออกไป ความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดการพังทลายเพิ่มขึ้น 10 เท่า ค่าการนำความร้อนดีขึ้น และส่งผลให้อุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้น เมื่อใช้ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงสุด 600 V ขึ้นไป ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังเหนือกว่าซิลิคอนอีกด้วย ปัจจุบันไดโอดชอตกีซิลิคอนคาร์ไบด์ 600-V และ 1200-V ทางออกที่ดีที่สุดในบูสต์คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากการสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับไดโอดซิลิคอน PiN
ถ้า เรากำลังพูดถึงเกี่ยวกับสวิตช์ไฟ MOSFET ซิลิคอนนั้นด้อยกว่าทรานซิสเตอร์ IGBT 600- และ 1200-V สาเหตุหลักมาจากความต้านทานในสถานะที่สำคัญของช่องสัญญาณ (RDSON) ซึ่งเพิ่มสัดส่วนกับกำลังสองของค่าสูงสุด แรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตแหล่งระบายน้ำ (VDSMAX) ความต้านทาน RDSON ถือได้ว่าเป็นการรวมกันของความต้านทาน RJFET และ RDRIFT (รูปที่ 1)

รูปที่ 1. วงจรสมมูลของ DMOSFET

ในกรณีนี้ แนวต้าน RDRIFT ซึ่งสะท้อนถึงการเคลื่อนตัวของตัวพาอิสระ มีอิทธิพลเหนือและมูลค่าของมันจะถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

RDRIFT = d/qμND โดยที่ d คือความหนาของชั้นดริฟท์ q คือประจุอิเล็กตรอน ND คือปัจจัยการเติม

ในทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์รุ่นใหม่ ความหนาของชั้นดริฟท์ d จะลดลงประมาณ 10 เท่า ค่าสัมประสิทธิ์ ND เพิ่มขึ้นตามจำนวนที่เท่ากัน เป็นผลให้ความต้านทานของ R DSON ลดลงเกือบ 100 เท่าเมื่อเทียบกับซิลิคอน

การใช้งานทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์

การประยุกต์ใช้อุปกรณ์ ประเภทนี้ลองดูตัวอย่างทรานซิสเตอร์ 1200-V, 20-A ที่มี RDSON = 100 mOhm และระดับการควบคุมเกต 15-V นอกจากการลดความต้านทาน RDSON ภายใต้สภาวะปกติแล้ว อิทธิพลของอุณหภูมิในทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังลดลงอย่างมากอีกด้วย ในช่วง 25...150°C การเปลี่ยนแปลงความต้านทานมีเพียง 20% ซึ่งเป็นค่าที่น้อยมากเมื่อเทียบกับค่าเดียวกันที่ 200% หรือแม้กระทั่ง 300% สำหรับซิลิคอน MOSFET โดยหลักการแล้ว คาร์ไบด์ - แม้ว่าจะสูงสุดก็ตาม อุณหภูมิที่อนุญาตทรานซิสเตอร์แบบอนุกรม (ส่วนใหญ่วางไว้ในกล่องพลาสติก TO-247) ถูกจำกัดไว้ที่ 150°C; ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 200°C
เมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์ IGBT ซิลิคอน MOSFET ของซิลิคอนคาร์ไบด์มีความสำคัญ ขาดทุนน้อยลงสำหรับการสลับ MOSFET เป็นอุปกรณ์ที่มีขั้วเดียว ดังนั้นจึงไม่มี "ส่วนท้าย" ในระหว่างการสลับเนื่องจากการสลายของพาหะส่วนน้อย ตารางที่ 1 แสดงค่าการสูญเสียการสวิตชิ่งของทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภท

พารามิเตอร์	IGBT, 1200-B อินฟิเนียน BSM 15 GD 120 DN2 ID (สูงสุด) = 15 A ที่ 80°C	วิศวกรรม DMOSFET 1200-B CREE ID ตัวอย่าง (สูงสุด) = 15 A ที่ 150 °C
แรงดันไฟฟ้า VDS, V
อุปนัย	อุปนัย (500 µH)
ควบคุมแรงดันไฟ VGE,V
ความต้านทานเกต RG, โอห์ม
การสูญเสียพลังงานเมื่อเปิดเครื่อง (กระแสสลับ 10 A), ЕON, mJ
การสูญเสียพลังงานเมื่อปิดเครื่อง (กระแสสลับ 10 A), EOFF, mJ
ประสิทธิภาพสูงสุดή
ประสิทธิภาพยูโร* ήEUR0

ตารางที่ 1. การสลับการสูญเสียของ IGBT ของซิลิคอนและ MOSFET ของซิลิคอนคาร์ไบด์

ต่อไป ให้พิจารณาตัวอย่างการใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ในอินเวอร์เตอร์สามเฟส 7 kW, 16.6 kHz แผงเซลล์แสงอาทิตย์- อินเวอร์เตอร์มีโทโพโลยี B6 ที่พัฒนาขึ้นที่สถาบัน ISE และใช้ตัวเก็บประจุในวงจร ดี.ซีโดยการเชื่อมต่อกับสายนิวทรัล รูปที่ 2 แสดงผลการทดสอบเปรียบเทียบ ดังที่เห็นได้จากผลลัพธ์ที่นำเสนอ เมื่อใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ การสูญเสียจะลดลงเกือบ 2 เท่า ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิของแผงระบายความร้อนก็ลดลงเช่นกัน: 93°C เมื่อใช้ทรานซิสเตอร์ IGBT และ 50°C เมื่อใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์

รูปที่ 2. การเปรียบเทียบการสูญเสียใน 1200-V MOSFET และ IGBT

ข้อดีของการใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ในตัวแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์:
- ต้นทุนต่ำส่วนประกอบอุปนัย ขนาดของส่วนประกอบอุปนัยขึ้นอยู่กับความถี่ในการแปลง ต้นทุนลดลงประมาณ 50% เมื่อความถี่การแปลงเพิ่มขึ้น 2-3 เท่า เมื่อความถี่การแปลงเพิ่มขึ้น ความถี่ของฮาร์มอนิกที่สามก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และจะง่ายกว่ามากในการลดพลังของฮาร์มอนิกที่สามที่มีความถี่ 150 kHz เมื่อเทียบกับความถี่ 50 kHz
- ความต้องการการกระจายความร้อนลดลง การใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ทำให้สามารถลดอุณหภูมิลงได้ 50% ซึ่งจะนำไปสู่การลดขนาดและต้นทุนของผลิตภัณฑ์ทั้งหมดโดยประมาณ 5% ในตัวอย่างของเรา
- เพิ่มผลกำไรโดยลดการสูญเสียพลังงาน

รูปที่ 3 แสดงวงจรเรียงกระแสสามเฟสทั่วไปที่มีตัวแปลง DC/DC แบบสวิตช์กระแสเป็นศูนย์แบบแยกเดี่ยว ทรานซิสเตอร์ IGBT 1200-V, 25-A, ทรานซิสเตอร์ IGBT 1200-V, 40-A และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ 1200-V, 25-A ถูกใช้เป็นสวิตช์ S1, S2 ในการทดสอบ ผลลัพธ์ของการทำงานของระบบเปิดอยู่ โหลดสูงสุด 3 kW แสดงในรูปที่ 4 ดังที่เห็นเมื่อทำงานกับ MOSFET ประสิทธิภาพของระบบจะเพิ่มขึ้น 2.2% แพ็คเกจ MOSFET มีอุณหภูมิต่ำกว่า: 25°C ต่ำกว่า 40-A IGBT และ 36°C ต่ำกว่า 25-A IGBT

ข้าว. 3. อินเวอร์เตอร์ 3 เฟส 3kW พร้อมตัวประกอบกำลังที่สูงกว่าและตัวแปลงไปข้างหน้า ข้าว. 4. กราฟการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับกำลังขับที่ความถี่การแปลง 67 kHz

ข้อดีของ MOSFET 1200-V แสดงไว้ข้างต้น อย่างไรก็ตาม ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า - 6.5 kV และสูงกว่านั้น ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ก็มีข้อได้เปรียบเหนือทรานซิสเตอร์ชนิดซิลิคอนเช่นกัน เมื่อเร็วๆ นี้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 10-kV, 10-A ได้รับการพัฒนา ด้วยแรงดันไฟฟ้าของเกตไดรฟ์ 20 V และกระแสช่องสัญญาณ 10 A แรงดันตกคร่อม เปิดช่องมีค่าเพียง 4.1 V ซึ่งเทียบเท่ากับความต้านทาน 127 mOhm/cm2 กระแสไฟรั่วจากแหล่งระบายคือ 124 nA ที่ 10 kV
ในระหว่างการทดลองเปรียบเทียบ พบว่าเมื่อทำงานบนโหลดแบบเหนี่ยวนำ การสูญเสียการสวิตชิ่งในทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จะน้อยกว่าใน IGBT 6.5 kV ถึง 200 เท่า! เวลาแฝงในการเปิดคือ 94 ns และเวลาแฝงในการปิดคือ 50 ns สำหรับ IGBT - 1.4 μs และ 540 ns ตามลำดับ!
การใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ 10 kV และไดโอด Schottky ในบูสต์คอนเวอร์เตอร์ (อินพุต 500 V, เอาต์พุต 5 kV) ประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์ 600 W อยู่ที่ 91% จากผลการคำนวณ พบว่าวงจรเดียวกันกับ MOSFET ซิลิคอนทั่วไปสามารถทำงานได้ที่ความถี่เพียงไม่กี่ร้อยเฮิรตซ์เท่านั้น รูปที่ 5 แสดงกราฟกระแสและแรงดันไฟฟ้าเมื่อปิด MOSFET รูปนี้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการชั่วคราวเกิดขึ้นในอุปกรณ์เร็วแค่ไหน

ข้าว. 5. กระบวนการสลับของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ 10 kV ที่ความถี่ 20 kHz และกำลังตัวแปลง 600 W

ด้วยความสนใจที่เพิ่มขึ้น แหล่งทางเลือกพลังงาน เทคโนโลยีซิลิกอนคาร์ไบด์มีแนวโน้มในวงกว้าง ด้วยการลดการสูญเสียพลังงาน การใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมีความน่าสนใจในตัวแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์รวมถึงตัวแปลงสำหรับเครื่องกำเนิดพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลในอนาคต