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1 / 8 Ein Transistor im Schnitt Das ist ein n-Kanal-MOSFET, mittig aufgeschnitten und hunderttausendfach vergrößert dargestellt. Zwei blaue Inseln aus n-Silizium, Source und Drain, sitzen in einem p-Substrat. Mit 0 V am Gate und 2 V am Drain zeigt der Strommesser null.
Ziehen zum Drehen. Mausrad oder zwei Finger zum Zoomen.
Rundgang Teile Steuerung
01 Ein Transistor im Schnitt Das ist ein n-Kanal-MOSFET, mittig aufgeschnitten und hunderttausendfach vergrößert dargestellt. Zwei blaue Inseln aus n-Silizium, Source und Drain, sitzen in einem p-Substrat. Mit 0 V am Gate und 2 V am Drain zeigt der Strommesser null.
02 Silizium mit ein paar fremden Atomen Reines Silizium leitet schlecht, weil jedes äußere Elektron in einer Bindung festgehalten wird. Setzen Sie ein Phosphoratom ein, wird sein fünftes Elektron frei beweglich: Das ist n-Silizium. Bor hat nur drei, also fehlt einer Bindung ein Elektron. Diese Lücke, das Loch, springt von Bindung zu Bindung.
03 Das Gate drängt die Löcher weg Bei 0,5 V trägt das Gate etwas positive Ladung. Es kann das Silizium nicht berühren, denn dazwischen liegen 10 nm Oxid, aber sein Feld reicht hindurch und treibt die Löcher nach unten. Nahe der Oberfläche bleiben feste negative Borionen zurück: eine Raumladungszone.
04 Über der Schwelle entsteht ein Kanal Oberhalb der Schwelle von 0,7 V zieht das Feld so viele Elektronen an die Oberfläche, dass sie n-leitend wird. Diese dünne Inversionsschicht verbindet Source und Drain. Bei 1,2 V liegen etwa 72.000 Elektronen im Kanal, und der Strommesser zeigt 0,22 mA.
05 Etwas mehr Gate, viel mehr Strom Im quadratischen Modell wächst der Strom mit dem Quadrat der Spannung über der Schwelle. Bei 2,5 V erreicht er 2,8 mA. Der Drain liegt nur auf 2 V, deshalb wird der Kanal zum Drain hin dünner und schnürt an seinem Ende ab, und mehr Drainspannung ändert jetzt wenig.
06 Zwei Transistoren ergeben einen Schalter Die Platine rechts setzt einen p-Kanal-Transistor über einen n-Kanal-Transistor. Mit 3,3 V am Eingang leitet der nMOS und zieht den Ausgang auf 0 V, die LED erlischt. Schieben Sie den Inverter-Eingang nach unten, übernimmt der pMOS. An beiden Enden sperrt ein Transistor, deshalb fließt fast kein Strom.
07 Aus einer kleinen Schwankung wird eine große Das Gate schwankt jetzt um 50 mV nach beiden Seiten von 1,2 V. Der Strom folgt mit 0,86 mA pro Volt Gateschwankung. Durch einen Widerstand von 10 kΩ geleitet, bewegt diese Stromänderung den Ausgang 8,6-mal so weit wie den Eingang. Das ist Verstärkung.
08 Von einem zu sechzehn Milliarden Der Chip vorn steht für Apples M1, der laut Apple 16 Milliarden Transistoren enthält; wer jede Sekunde einen zählt, braucht 507 Jahre. Daneben steht ein Nachbau des ersten Transistors, des Spitzentransistors, den Bardeen und Brattain im Dezember 1947 bei den Bell Labs zum Laufen brachten.
p-Substrat Der Siliziumkörper, mit Bor dotiert, etwa 10¹⁷ Atome pro cm³, also eines auf 500.000 Siliziumatome. Seine freien Ladungen sind Löcher (rote Ringe). Source (n+) Eine stark mit Phosphor dotierte Insel, etwa ein Atom von 500. Sie ist voller freier Elektronen (blaue Punkte) und liefert die Elektronen, die den Kanal durchqueren. Drain (n+) Eine Insel derselben Art wie die Source. Liegt an ihr eine positive Spannung, verlassen die durch den Kanal kommenden Elektronen sie über den Drainkontakt. Gateoxid Siliziumdioxid, im Modell 10 nm dick. Es isoliert das Gate, das deshalb nur über sein elektrisches Feld auf das Silizium wirkt und keinen Gleichstrom zieht. Gate Die Steuerelektrode auf dem Oxid. Ihre Spannung entscheidet, ob es einen Kanal gibt. Die hellen Pluszeichen zeigen ihre positive Ladung. Inversionsschicht (Kanal) Eine dünne Schicht von Elektronen, die an die Oberfläche gezogen wird, sobald das Gate die Schwelle von 0,7 V überschreitet. Ihre Dicke folgt dem Ladungsprofil des quadratischen Modells, sie wird also zum Drain hin dünner. Raumladungszone Die Schicht unter dem Gate, aus der die Löcher verdrängt sind, sodass feste negative Borionen (dunkelblaue Striche) zurückbleiben. Sie wird bis zur Schwelle tiefer und wächst dann nicht weiter. Kontakte und äußerer Kreis Wolframstopfen und Aluminiumpads verbinden Source und Drain mit einer Spannungsquelle und einem Strommesser. Das Gate hat hinten seinen eigenen Stopfen mit dem roten Knopf. Dotiertes Siliziumgitter Siliziumatome teilen ihre Elektronen paarweise. Phosphor (P) bringt ein Elektron zu viel, Bor (B) eines zu wenig, und das fehlende ist ein Loch. CMOS-Inverter Ein p-Kanal-Transistor über einem n-Kanal-Transistor, die Gates verbunden. Der Ausgang ist stets das Gegenteil des Eingangs. Der kleine Bildschirm zeichnet den Ausgang über dem Eingang. Chipgehäuse Ein Prozessor-Die auf seinem Gehäuse. Apples M1 enthält 16 Milliarden Transistoren. Der Intel 4004 von 1971 enthielt 2300. Spitzentransistor, 1947 Nachbau des Bauteils der Bell Labs: zwei dicht nebeneinander liegende Goldkontakte, von einem Kunststoffkeil gehalten und auf ein kleines Germaniumplättchen gedrückt.
