كيف يعمل الترانزستور

ماذا يُظهر النموذج

معالج الهاتف أو الحاسوب المحمول لوح من السيليكون عليه مليارات المفاتيح، وليس في أي منها جزء متحرك. كل مفتاح يشغّل التيار ويطفئه لأن جهدًا على أحد الأقطاب يغيّر طبيعة السيليكون الذي تحته، على الأقل في النانومترات القليلة الأقرب إلى السطح. يعرض هذا المعروض كيف يحدث ذلك في أكثر أنواع الترانزستور شيوعًا، ترانزستور MOSFET بقناة n (ترانزستور تأثير المجال من نوع معدن-أكسيد-شبه موصل).

الكتلة في الوسط ترانزستور واحد مقطوع من المنتصف، فأنت تنظر إلى مقطعه. الجزيرتان الزرقاوان هما المصدر والمصرف، والجسم الوردي هو الركيزة، والطبقة الفاتحة الرقيقة في الأعلى هي أكسيد البوابة، والكتلة فوقها هي البوابة. تصل السدادات والوسائد المصدرَ والمصرفَ بمصدر جهد ومقياس تيار، وللبوابة سدادتها الخاصة في الخلف. ويُظهر وجه القطع الشحنات: الحلقات الحمراء فجوات، والنقاط الزرقاء إلكترونات حرة، والشرطات الزرقاء الداكنة أيونات بورون لا تستطيع الحركة. وعلى اليسار لوحة تعرض شبكة السيليكون وفي كل نصف منها ذرة غريبة واحدة. وعلى اليمين لوحة صغيرة تجمع ترانزستورين في عاكس، أبسط البوابات المنطقية. وفي الأمام غلاف شريحة ونسخة من أول ترانزستور عام 1947.

منزلق جهد البوابة هو أداة التحكم الرئيسية. ولوحة القراءة ترسم تيار المصرف مقابل جهد البوابة، والنقطة تبيّن موضع الترانزستور على المنحنى.

سيليكون بالكاد يوصل

لكل ذرة سيليكون أربعة إلكترونات خارجية تتشاركها مع أربع ذرات مجاورة، إلكترونان في كل رابطة. وفي بلورة مثالية عند درجة حرارة الغرفة يبقى كل تلك الإلكترونات تقريبًا في مكانه. لا تحرر الحرارة إلا نحو 10¹⁰ إلكترون في كل سنتيمتر مكعب من بين 5 × 10²² ذرة، ولذلك فالسيليكون النقي موصل رديء.

التطعيم يغيّر ذلك. استبدل ذرة سيليكون بذرة فوسفور، ولها خمسة إلكترونات خارجية: تدخل أربعة منها في الروابط، ويبقى الخامس مقيدًا قيدًا ضعيفًا حتى إنه يبتعد عند درجة حرارة الغرفة. السيليكون الذي فيه إلكترونات زائدة كهذه من النوع n. أما البورون فله ثلاثة إلكترونات خارجية فقط، فتنقص إحدى روابطه الأربع إلكترونًا. ويستطيع إلكترون مجاور أن يقفز إلى هذا الفراغ، فينتقل الفراغ رابطة واحدة. هذا الفراغ المتحرك يسلك سلوك شحنة موجبة ويسمى فجوة. والسيليكون الذي فيه فجوات زائدة من النوع p.

يكفي قدر ضئيل جدًا. في ركيزة النموذج 10¹⁷ ذرة بورون في كل سنتيمتر مكعب، أي ذرة لكل 500,000 ذرة سيليكون. أما المصدر والمصرف فمطعّمان أشد بكثير، بـ 10²⁰ ذرة فوسفور في كل سنتيمتر مكعب، أي ذرة من كل 500.

لماذا لا يمر تيار في البداية

والبوابة عند 0 V، تتبّع الطريق الذي يجب أن يسلكه إلكترون من المصدر إلى المصرف. يغادر جزيرة من النوع n مليئة بالإلكترونات، ويعبر سيليكونًا من النوع p مليئًا بالفجوات، ثم يدخل الجزيرة الأخرى من النوع n. كل حد بين n وp وصلة pn، والوصلتان متعاكستا الاتجاه. ومهما وصلت مصدر الجهد، تكون إحداهما في انحياز عكسي فتمنع التيار. ولهذا يقرأ المقياس صفرًا حتى مع 2 V على المصرف.

ليعبر التيار، يجب أن يصير شريط السيليكون من النوع p بين الجزيرتين من النوع n. وهذا بالضبط ما تفعله البوابة، ومن غير أن تلمس السيليكون.

كيف تؤثر البوابة عبر الأكسيد

تستقر البوابة على طبقة من ثاني أكسيد السيليكون سمكها 10 نانومترات في النموذج. الأكسيد عازل، فتشكّل البوابة والأكسيد والسيليكون مكثفًا. ضع جهدًا موجبًا على البوابة فتتجمع عليها شحنة موجبة. ولا بد أن تتجمع شحنة سالبة مساوية على الجانب الآخر من الأكسيد، في السيليكون.

في البداية يحصل السيليكون على هذه الشحنة السالبة بالتخلي عن الفجوات. اضبط البوابة على 0.5 V وراقب: تُدفع الفجوات تحت البوابة إلى الأسفل وتبقى أيونات البورون في مكانها. كل أيون بورون أخذ إلكترونًا إلى روابطه حين غادرته فجوته، فصار يحمل شحنة سالبة ثابتة. الطبقة التي أُفرغت هي منطقة النضوب. وهي تتعمق كلما ارتفع جهد البوابة، حتى العتبة.

العتبة وطبقة الانقلاب

فوق جهد معيّن للبوابة لا يعود دفع الفجوات يوفّر الشحنة المطلوبة، فتبدأ الإلكترونات بالتجمع عند السطح بدلًا منها. وهي تأتي من المصدر المجاور الممتلئ بها. وما إن يصبح في تلك الطبقة السطحية الرقيقة إلكترونات أكثر من الفجوات حتى تكون قد صارت من النوع n. تسمى طبقة الانقلاب، وهي القناة: طريق متصل من النوع n بين المصدر والمصرف.

جهد البوابة الذي يحدث عنده ذلك هو جهد العتبة، وقيمته في النموذج 0.7 V. وفي التصنيع الحقيقي يتوقف على تطعيم الركيزة وسمك الأكسيد ومادة البوابة، ويضبطه المصنّعون بزرع إضافي من مادة التطعيم. بعد العتبة تتوقف منطقة النضوب عن النمو، ويذهب كل فولت إضافي على البوابة إلى مزيد من الإلكترونات في القناة.

التحقق من قانون المربع بالأرقام

أبسط نموذج مفيد للترانزستور MOSFET هو قانون المربع، والمعروض يستخدمه مباشرة. ابدأ بالأكسيد. سعته لوحدة المساحة

Cox = εox / tox = (3.9 × 8.854 × 10⁻¹² F/m) / (10 × 10⁻⁹ m) = 3.45 × 10⁻³ F/m²، أي 0.345 µF/cm².

كل فولت فوق العتبة، ويسمى جهد التجاوز (overdrive)، يضع شحنة إلكترونات قدرها Cox × 1 V تحت كل سنتيمتر مربع من البوابة. وعند 1.2 V على البوابة يكون جهد التجاوز 0.5 V، وهذا يساوي 1.08 × 10¹² إلكترون في كل سنتيمتر مربع.

سرعة حركة هذه الإلكترونات تتوقف على حركيتها، وتؤخذ في القناة 500 cm²/V·s. اضرب الحركية في Cox تحصل على ثابت العملية k′ = 173 µA/V². عرض القناة 10 µm وطولها 1 µm، فيكون β = k′ × W/L = 1.73 mA/V².

حين يكون جهد المصرف كبيرًا بما يكفي، يكون تيار المصرف

Id = ½ β (Vgs − Vt)².

عند 1.2 V يعطي ذلك ½ × 1.73 mA/V² × (0.5 V)² = 0.216 mA. وعند 2.5 V يكون جهد التجاوز 1.8 V والتيار 2.80 mA، وعند 3.3 V يكون 5.84 mA. مضاعفة جهد التجاوز من 0.5 V إلى 1.0 V تضرب التيار في أربعة، ولهذا ينحني المنحنى في لوحة القراءة إلى الأعلى. ودون 0.7 V يعطي النموذج صفرًا بالضبط.

ويمكنك أيضًا أن تعدّ الإلكترونات. والمصرف عند 2 V والبوابة عند 1.2 V، تحوي القناة نحو 72,000 إلكترون، وقسمة شحنتها على التيار تعطي الزمن الذي يستغرقه إلكترون واحد ليعبر: نحو 53 بيكوثانية. وعند 2.0 V على البوابة ينخفض إلى 20 بيكوثانية.

لماذا تختنق القناة عند طرف المصرف

تحسّ الإلكترونات في القناة بجهد البوابة نسبةً إلى السيليكون الذي تحتها، وهذا السيليكون عند 0 V قرب المصدر لكنه عند جهد المصرف قرب المصرف. لذلك يتناقص جهد التجاوز على طول القناة، وتتناقص معه صفيحة الإلكترونات. وفي النموذج تُرسم القناة بهذا الشكل، سميكة عند المصدر وترقّ نحو المصرف.

حين يكون جهد المصرف صغيرًا تسلك القناة سلوك مقاومة، ويرتفع التيار بالتناسب مع جهد المصرف. هذه المنطقة الخطية. ومع 3.3 V على البوابة و0.1 V على المصرف يكون التيار 0.44 mA، أي مقاومة نحو 227 Ω. وهذه حال الترانزستور حين يُستخدم مفتاحًا مغلقًا.

ارفع جهد المصرف حتى يساوي جهد التجاوز فترقّ صفيحة الإلكترونات حتى تتلاشى عند طرف المصرف. هذا هو الاختناق (pinch-off). تظل الإلكترونات تعبر، إذ يسحبها المصرف عبر الفجوة القصيرة ذات المجال الشديد، لكن زيادة جهد المصرف لا تكاد تضيف شيئًا إلى التيار. الترانزستور الآن في منطقة التشبع. في الخطوة 5، ومع 2.5 V على البوابة، يكون التيار 2.24 mA مع 1 V على المصرف و2.80 mA عند 2 V وعند 3.3 V كليهما.

ترانزستوران يصنعان عاكسًا

تحتاج البوابة المنطقية إلى ترانزستور يسحب الخرج إلى الأسفل وآخر يسحبه إلى الأعلى. وتستخدم تقنية CMOS (MOS المتتامّ) ترانزستورًا بقناة n للمهمة الأولى وآخر بقناة p للثانية. جهاز القناة p صورة مرآوية: مصدر ومصرف من النوع p داخل بئر من النوع n، ويعمل حين تكون بوابته أدنى من مصدره بفارق كافٍ.

على اللوحة البوابتان موصولتان كلتاهما بالدخل. حين يكون الدخل 3.3 V يكون nMOS عاملًا وpMOS مطفأ، فيُسحب الخرج إلى 0 V وينطفئ الصمام الضوئي. وحين يكون الدخل 0 V ينعكس الأمر ويستقر الخرج عند 3.3 V. وفي كلا الطرفين يكون أحد الترانزستورين مطفأ، فلا يوجد طريق من مصدر الجهد إلى الأرضي، ولا تكاد الدائرة تستهلك شيئًا وهي تحافظ على حالتها. لا يمر التيار إلا أثناء التبديل.

في النموذج جُعل pMOS أعرض بمقدار 2.5 مرة تعويضًا عن أن الفجوات أبطأ حركة من الإلكترونات. وبذلك تقع نقطة التبديل عند 1.65 V، نصف جهد التغذية، حيث يمر 0.84 mA لحظةً عبر الترانزستورين. اجمع بوابات كهذه تستطع بناء الدائرة في كيف تجمع البوابات المنطقية الأعداد.

كيف يضخّم الترانزستور

المنحنى نفسه الذي يجعل الترانزستور مفتاحًا جيدًا يجعله أيضًا مضخّمًا. ثبّت البوابة عند 1.2 V في منطقة التشبع، ودعها تتأرجح 50 mV في كل اتجاه. ميل المنحنى هناك، أي الموصلية التبادلية gm = β (Vgs − Vt)، يساوي 0.86 mA لكل فولت، فيتغير التيار نحو 43 µA في كل اتجاه.

غذِّ المصرف من مصدر 5 V عبر مقاومة 10 kΩ، فيتحول هذا التغير في التيار إلى تغير في الجهد على المقاومة. يستقر المصرف عند 2.84 V ويتأرجح بين 2.39 V و3.25 V، أي تأرجح قدره 0.86 V مقابل 0.1 V في الدخل. كسب الجهد gm × R = 8.6. ويتحرك الخرج أيضًا عكس اتجاه الدخل، ولذلك تسمى هذه الدائرة مضخّمًا عاكسًا. شغّل أداة الإشارة الصغيرة لترى تأرجح الدخل والخرج معلّمًا على المنحنى.

ستة عشر مليارًا على شريحة واحدة

تقول Apple إن شريحتها M1 لعام 2020 تضم 16 1 مليار ترانزستور. لو عددت واحدًا كل ثانية بلا توقف لانتهيت بعد 507 سنوات. وتضم شريحة M3 Max من Apple لعام 2023 92 مليارًا، وتقول NVIDIA إن معالجاتها الرسومية بمعمارية Blackwell تضم 208 مليارات. وللمقارنة، كان في المعالج الدقيق Intel 4004 عام 1971 ما مجموعه 2,300، أي أن في M1 نحو سبعة ملايين ضعف.

تتسع لها الشريحة لأن الترانزستورات الحديثة صغيرة جدًا، فطول بواباتها عشرات النانومترات بدل 1 µm في النموذج، وبواباتها تلتف حول القناة من عدة جوانب بدل أن تجلس فوقها. والمبدأ هو نفسه الذي تعرضه الكتلة: جهد على البوابة يُنشئ قناة موصلة أو يزيلها.

ما يتركه النموذج

• القنوات القصيرة. يصح قانون المربع للقنوات الطويلة مثل قناة النموذج البالغة 1 µm. أما في القنوات القصيرة فتبلغ الإلكترونات سرعة قصوى، ويزداد التيار متناسبًا مع جهد التجاوز نفسه أكثر من تناسبه مع مربعه.
• التيار دون العتبة. تسرّب الترانزستورات الحقيقية تيارًا صغيرًا دون العتبة، يقل إلى العُشر مع كل 60 mV أو أكثر من جهد البوابة عند درجة حرارة الغرفة. ويجعله النموذج صفرًا.
• تعديل طول القناة. في التشبع يظل التيار يزحف ببطء مع جهد المصرف. النموذج الرئيسي يهمل ذلك. ويضيف العاكس ميلًا صغيرًا قدره 0.05 لكل فولت كي يكون لخرجه قيمة واحدة عند كل دخل.
• المقياس. رُسمت الشحنات أكبر بكثير وأقل عددًا بكثير من الحقيقية، ورُسم الأكسيد أسمك نسبةً إلى القناة.
• الشكل. تمتد البوابة والجزيرتان مستقيمة إلى عمق الكتلة. أما الشرائح الحديثة فتستخدم أشكال الزعانف والبوابة المحيطة من كل الجهات.

من لوح جرمانيوم إلى MOSFET

جاءت فكرة التحكم في التيار بمجال أولًا. قدّم يوليوس ليلينفيلد براءة اختراع لجهاز تأثير مجال عام 1926، لكن محاولات بنائه طوال العقد الذي بدأ عام 1930 لم تنجح. وفي مختبرات بل تصوّر ويليام شوكلي عام 1945 مضخّمًا يعمل بتأثير المجال، لكنه لم يعمل كما أُريد له. ورأى جون باردين أن الإلكترونات على سطح شبه الموصل هي التي تحجب المجال، فشرع هو ووالتر براتين في دراسة حالات السطح هذه.

في 16 ديسمبر 1947 شغّلا أول مضخّم من أشباه الموصلات. تماسّان من الذهب متقاربان جدًا، يثبّتهما إسفين بلاستيكي، يضغطان على لوح صغير من الجرمانيوم عالي النقاء. وكان جهد على أحد التماسين يتحكم في التيار المار عبر الآخر ويضخّم الإشارة حتى 100 مرة. عرضاه على مسؤولي مختبرات بل في 23 ديسمبر، وأطلق عليه المهندس جون بيرس اسم الترانزستور، وأعلنته مختبرات بل في مؤتمر صحفي في 30 يونيو 1948. وتقاسم شوكلي وباردين وبراتين جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1956.

حُلّت مشكلة السطح بالأكسيد. ففي عام 1959 صنع م. م. (جون) عطاالله وداون كانغ في مختبرات بل أول ترانزستور تأثير مجال معزول البوابة يعمل، على ثاني أكسيد سيليكون منمّى حراريًا. وفي عام 1963 بيّن سي. تي. ساه وفرانك وانلاس من شركة فيرتشايلد أن الجمع بين ترانزستورات بقناة p وأخرى بقناة n يستهلك طاقة تقارب الصفر في وضع الاستعداد، وسجّل وانلاس براءة الفكرة التي تسمى اليوم CMOS.

الطاقة اللازمة لتغيير بت

لا تحتاج البوابة المعزولة إلى تيار توصيل مستمر في النموذج المثالي، لكنها تحتاج إلى شحنة. تشكل البوابة والقناة مكثفًا، وتضيف الأسلاك وبوابات الدائرة التالية سعة أخرى. ولتغيير الجهد، يجب على دائرة القيادة نقل تلك الشحنة. يصف مقرر بنى الحوسبة في MIT هذه العلاقة بالصيغة Q = CV. ينبغي التمييز بين إبقاء البت ثابتًا وتغييره مرارًا: فقد يستهلك التغيير قدرة معتبرة حتى إن كان الاحتفاظ بالقيمة لا يحتاج إلا إلى القليل.

للحساب، نفترض سعة تبديل كلية مقدارها 1 fF وتغيرًا في الجهد قدره 1 V. هذه قيم مفترضة، وليست قياسات للمعروض أو مواصفات معالج معين. الشحنة المطلوبة هي 1 fC. والطاقة المخزنة عند اكتمال الشحن هي ½CV² = 0.5 fJ. عند الشحن العادي عبر مقاومة من مصدر جهد ثابت، يقدم المصدر CV² = 1 fJ: يُخزن نصفها ويتحول النصف الآخر إلى حرارة أثناء الشحن. وعند التفريغ، يتبدد النصف المخزن أيضًا. لذلك تبدد دورة شحن وتفريغ كاملة في هذه الدائرة المبسطة 1 fJ، لا 0.5 fJ. قد تعمل دوائر استرجاع الطاقة بطريقة مختلفة، لكنها ليست ممثلة هنا.

لنفترض أن العقدة تكمل 1 مليار دورة كهذه في الثانية. تصبح قدرة التبديل المتوسطة 1 µW. وإذا عمل 1 مليون عقدة متطابقة بالطريقة نفسها معًا، يصبح مجموع قدرتها 1 W. لا يعني ذلك أن كل ترانزستور في شريحة تضم 1 مليار ترانزستور يبدل حالته عند كل نبضة ساعة. تحتفظ عقد كثيرة بقيمتها، وتعمل الكتل المختلفة في أوقات مختلفة. يعد تردد الساعة دورات التوقيت، وليس انتقالات كل ترانزستور. يعبّر معامل النشاط في P = αCV²f عن معدل شحن العقدة فعليًا من المستوى المنخفض إلى المرتفع في كل دورة توقيت.

نخفض الآن الجهد المفترض من 1 V إلى 0.8 V، مع ثبات السعة والنشاط. تصبح طاقة التبديل 0.64 من قيمتها السابقة، أي أقل بنسبة 36 بالمئة. العلاقة التربيعية مهمة، لكن خفض الجهد يقلل أيضًا تيار قيادة الترانزستور، وقد يجعل المسار المنطقي أبطأ أو غير موثوق. لذا يحد الوقت المتاح لاستقرار الإشارات من توفير الطاقة. ولهذا ترتبط إعدادات جهد المعالج وتردده، ولا يمكن التعامل معها كمقبضين مستقلين بلا عواقب متبادلة.

التسرب وحدود حالة الإطفاء

الجزء الأفقي ذو التيار الصفري في منحنى المعروض اختيار في النمذجة. في MOSFET حقيقي، يوجد تيار دون العتبة حتى عندما يكون جهد البوابة أقل من العتبة الاسمية. تستطيع حاملات الشحنة عبور حاجز الجهد بالحركة الحرارية. يتغير الحاجز باستمرار مع جهد البوابة، فلا يقفز الجهاز فجأة من العزل التام إلى التوصيل عند 0.7 V بالضبط. العتبة مرجع هندسي مفيد، وليست مزلاجًا ميكانيكيًا ينغلق فجأة.

تشمل مسارات التسرب الأخرى الوصلات المنحازة عكسيًا والتيار عبر عازل بوابة بالغ الرقة. وتعتمد الأهمية النسبية لكل مسار على تقنية الجهاز وأبعاده وحرارته وجهد تشغيله. تختار بنى البوابة الحديثة مواد وسماكات تحافظ على التحكم الكهروستاتيكي مع الحد من التسرب. ويساعد التفاف البوابة حول مساحة أكبر من القناة على كبح التوصيل غير المرغوب بين المصدر والمصرف، لكنه لا يلغي كل مسارات هروب الشحنة.

يبين حساب افتراضي آخر لماذا تهم التيارات الصغيرة في الشرائح الكبيرة. عند 1 V، يقابل تيار تسرب قدره 1 nA قدرة 1 nW. وإذا سرّب 1 مليار جهاز هذا المقدار نفسه في الظروف ذاتها، بلغ المجموع 1 W حتى دون تبديل مفيد. ليست تسربات جميع أجهزة الشريحة الحقيقية متطابقة؛ فأنواع الترانزستورات والحالات المنطقية والحرارة تختلف. الحساب توضيح لحجم الأثر، وليس توقعًا لاستهلاك M1. وهو يشرح لماذا قد يوفر فصل التغذية عن كتلة خاملة، أو بوابة القدرة، طاقة أكثر من مجرد إيقاف ساعتها. تقلل بوابة الساعة نشاط التبديل، لكنها لا تزيل التسرب بذاتها.

معنى عدد الترانزستورات وأسماء عمليات التصنيع

يرجع متحف تاريخ الحاسوب ملاحظة مور إلى مقال سنة 1965. كان استقراؤه الأصلي تضاعف عدد مكونات الدائرة المتكاملة كل سنة؛ وفي 1975 عدل المعدل بعيد المدى إلى تضاعف كل سنتين تقريبًا. كان ذلك ملاحظة وهدفًا للصناعة، لا قانونًا فيزيائيًا يفرض على كل معالج مضاعفة العدد في موعد ثابت. وكان يتعلق بالتكامل الاقتصادي، لا بوعد بأن كل برنامج سيعمل بضعف السرعة.

نقارن ترانزستورات Intel 4004 التاريخية البالغ عددها 2,300 مع 16 مليارًا أعلنتها Apple في M1. قسمة العدد الثاني على الأول تعطي نحو 7 ملايين. هذه نسبة لعدد المكونات وليست اختبار أداء. يضم M1 ذاكرات مخبأة ورسوميات وكتلًا وظيفية أخرى إضافة إلى أنوية المعالج، وتختلف الشريحتان كثيرًا في البنية وطول الكلمة وأحمال العمل. وقد تُستخدم نسبة معتبرة من ترانزستورات شريحة حديثة لتخزين البتات لا لإجراء الحسابات. مقارنة العدد الرئيسي وحده تخفي هذه الفروق.

لا ينبغي قراءة اسم جيل تصنيع بالنانو متر على أنه الطول المقاس لكل بوابة على الشريحة. تميز خرائط الطريق مثل IEEE IRDS بين كميات فيزيائية منها طول البوابة وخطوة تكرار البنى. تقيس الخطوة المسافة التي تتكرر عندها الملامح، ولا تساوي طول القناة الموصلة. أسماء أجيال المصنعين المختلفين ليست مسطرة مشتركة. وللمقارنة المفيدة، ينبغي تحديد الكمية وطريقة القياس والدائرة المقارنة، بدل مساواة تسمية تجارية ببعد فيزيائي واحد.

يتغير الشكل أيضًا. في MOSFET المستوي تقع البوابة فوق قناة مسطحة. وفي FinFET تبرز زعنفة ضيقة من السطح وتتحكم البوابة في جوانب متعددة منها. أما جهاز البوابة المحيطة بالكامل، فتلتف بوابته حول قناة ضيقة، غالبًا في صورة صفائح أو أسلاك متراكبة. يعزز إحاطة القناة تحكم البوابة مقارنة بتأثير المجال الكهربائي للمصرف، الذي يصبح أشد إزعاجًا كلما قصر الجهاز. هذه أشكال مختلفة للتحكم بالمجال، وليست ملامسات ميكانيكية صغيرة تفتح وتغلق. يحتفظ المعروض بمقطع مستوٍ لإظهار طبقة الانعكاس وأيونات التشويب الثابتة بوضوح؛ وليس رسمًا هندسيًا لجيل تصنيع حالي.

تجارب باستخدام أدوات التحكم الموجودة

استخدم «جهد البوابة» مع إبقاء «جهد المصرف» عند 2 V. ضع جهد البوابة أولًا تحت 0.7 V، ثم ارفعه فوق العتبة. ينتقل النموذج من غياب القناة الموصلة إلى ظهور طبقة انعكاس. قرب العتبة، قارن إعدادين يختلف فيهما الجهد الزائد بمعامل 2، مع بقاء كليهما في التشبع. يتنبأ قانون التربيع المثالي بنسبة تيار تساوي 4. قارن لوحة القراءة بدل عد الإلكترونات المتحركة؛ فعددها وسرعتها اختيرا لجعل حركة الشحنة مرئية، لا لإعادة تمثيل كل حامل في الجهاز الحقيقي.

بعد ذلك أبق البوابة فوق العتبة واخفض «جهد المصرف» إلى الصفر. قد توجد قناة بينما ينعدم تيار المصرف الصافي، لغياب جهد بين المصرف والمصدر يدفعه. ارفع جهد المصرف تدريجيًا وقارن المنطقة المقاومة عند الجهد المنخفض بالتشبع. لا يعني التشبع أن القناة فارغة أو أن التيار توقف، بل إن رفع جهد المصرف لا يزيد التيار كثيرًا في نموذج القناة الطويلة المثالي. لا تخلط بين استعمال «التشبع» هنا في MOSFET ومعناه في مفتاح بترانزستور ثنائي القطبية.

أخيرًا، حرك «دخل العاكس» عبر مجاله وراقب الخرج، ثم فعّل «إشارة صغيرة على البوابة» لعرض المضخم. يحول العاكس مجالًا من المدخلات إلى مستويات منطقية معاكسة، بينما يستخدم المضخم نقطة تشغيل مختارة وتغيرات صغيرة حولها. لا تقيس العلامات المتحركة ولا حركة الإشارة الصغيرة أقصى تردد لساعة المعالج. لا يتضمن المعروض تجربة توقيت GHz، أو مقياس سعة بوابة، أو تحكمًا بالحرارة. حسابات الطاقة والتسرب السابقة تجارب على الورق توسع النموذج المرئي، وليست أدوات مخفية ينبغي البحث عنها في الشاشة.