ट्रांज़िस्टर कैसे काम करता है

मॉडल क्या दिखाता है

फ़ोन या लैपटॉप का प्रोसेसर सिलिकॉन का एक टुकड़ा है जिस पर अरबों स्विच हैं, और उनमें से किसी में कोई हिलने वाला पुर्ज़ा नहीं। हर स्विच करंट को चालू और बंद इसलिए कर पाता है कि एक इलेक्ट्रोड पर लगा वोल्टेज उसके नीचे के सिलिकॉन का स्वभाव बदल देता है, कम से कम सतह के सबसे पास के कुछ नैनोमीटर में। यह प्रदर्शनी दिखाती है कि सबसे आम तरह के ट्रांज़िस्टर, n-चैनल MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फ़ील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांज़िस्टर), में यह कैसे होता है।

बीच का ब्लॉक एक ट्रांज़िस्टर है जिसे बीच से काटा गया है, इसलिए आप उसका अनुप्रस्थ काट देख रहे हैं। नीले हिस्से सोर्स और ड्रेन हैं, गुलाबी भाग सबस्ट्रेट है, ऊपर की पतली हल्की परत गेट ऑक्साइड है और उसके ऊपर का ब्लॉक गेट है। प्लग और पैड सोर्स और ड्रेन को सप्लाई और करंट मीटर से जोड़ते हैं, और गेट का अपना प्लग पीछे है। कटी सतह पर आवेश दिखते हैं: लाल छल्ले होल हैं, नीले बिंदु मुक्त इलेक्ट्रॉन हैं, और गहरे नीले डैश बोरॉन आयन हैं जो हिल नहीं सकते। बाईं ओर एक पैनल सिलिकॉन का जालक दिखाता है, जिसके हर आधे हिस्से में एक बाहरी परमाणु है। दाईं ओर एक छोटा बोर्ड दो ट्रांज़िस्टरों को जोड़कर इन्वर्टर बनाता है, जो सबसे सरल लॉजिक गेट है। सामने एक चिप पैकेज और 1947 के पहले ट्रांज़िस्टर की प्रतिकृति रखी है।

गेट वोल्टेज का स्लाइडर मुख्य नियंत्रण है। रीडआउट गेट वोल्टेज के साथ ड्रेन करंट का ग्राफ़ बनाता है, और बिंदु दिखाता है कि ट्रांज़िस्टर इस समय वक्र पर कहाँ है।

सिलिकॉन जो मुश्किल से चालन करता है

हर सिलिकॉन परमाणु के चार बाहरी इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिन्हें वह चार पड़ोसियों के साथ साझा करता है, हर बंध में दो इलेक्ट्रॉन। कमरे के तापमान पर एक आदर्श क्रिस्टल में लगभग हर इलेक्ट्रॉन अपनी जगह बँधा रहता है। 5 × 10²² परमाणुओं में से गर्मी केवल लगभग 10¹⁰ इलेक्ट्रॉन प्रति घन सेंटीमीटर को आज़ाद कर पाती है, इसलिए शुद्ध सिलिकॉन ख़राब चालक है।

डोपिंग (मादन) यह बदल देती है। एक सिलिकॉन परमाणु की जगह फ़ॉस्फ़ोरस रखें, जिसके पाँच बाहरी इलेक्ट्रॉन होते हैं: चार बंधों में चले जाते हैं और पाँचवाँ इतनी ढीली पकड़ में रहता है कि कमरे के तापमान पर निकल भागता है। ऐसे अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों वाला सिलिकॉन n-टाइप कहलाता है। बोरॉन के सिर्फ़ तीन बाहरी इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए उसके चार बंधों में से एक में एक इलेक्ट्रॉन कम रहता है। पड़ोस का कोई इलेक्ट्रॉन उस ख़ाली जगह में कूद सकता है, जिससे ख़ाली जगह एक बंध आगे खिसक जाती है। यह चलती ख़ाली जगह धनात्मक आवेश की तरह व्यवहार करती है और होल कहलाती है। अतिरिक्त होलों वाला सिलिकॉन p-टाइप है।

इसके लिए बहुत कम मात्रा चाहिए। मॉडल के सबस्ट्रेट में प्रति घन सेंटीमीटर 10¹⁷ बोरॉन परमाणु हैं, यानी हर 5,00,000 सिलिकॉन परमाणुओं पर एक। सोर्स और ड्रेन की डोपिंग कहीं ज़्यादा है: प्रति घन सेंटीमीटर 10²⁰ फ़ॉस्फ़ोरस परमाणु, यानी 500 में एक।

शुरू में करंट क्यों नहीं बहता

गेट 0 V पर हो तो उस रास्ते पर चलकर देखें जिससे किसी इलेक्ट्रॉन को सोर्स से ड्रेन जाना होगा। वह इलेक्ट्रॉनों से भरे n-टाइप हिस्से से निकलता है, होलों से भरे p-टाइप सिलिकॉन को पार करता है और दूसरे n-टाइप हिस्से में पहुँचता है। n और p के बीच की हर सीमा एक pn संधि है, और ये दोनों उलटी दिशाओं में हैं। सप्लाई को कैसे भी जोड़ें, इनमें से एक पश्चदिशिक बायस में रहती है और करंट रोक देती है। इसीलिए ड्रेन पर 2 V होने पर भी मीटर शून्य दिखाता है।

करंट पार कराने के लिए दोनों हिस्सों के बीच की p-टाइप सिलिकॉन की पट्टी को n-टाइप बनना होगा। गेट ठीक यही करता है, और सिलिकॉन को छुए बिना करता है।

गेट ऑक्साइड के पार कैसे पहुँचता है

गेट सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत पर बैठा है, जो मॉडल में 10 नैनोमीटर मोटी है। ऑक्साइड विद्युतरोधी है, इसलिए गेट, ऑक्साइड और सिलिकॉन मिलकर एक संधारित्र बनाते हैं। गेट पर धनात्मक वोल्टेज लगाएँ तो उस पर धनात्मक आवेश जमा होता है। ऑक्साइड की दूसरी ओर, सिलिकॉन में, उतना ही ऋणात्मक आवेश इकट्ठा होना चाहिए।

शुरू में सिलिकॉन यह ऋणात्मक आवेश होल छोड़कर जुटाता है। गेट को 0.5 V पर रखकर देखें: गेट के नीचे के होल नीचे धकेल दिए जाते हैं और बोरॉन आयन पीछे रह जाते हैं। हर बोरॉन आयन ने अपना होल जाते समय एक इलेक्ट्रॉन अपने बंधों में ले लिया था, इसलिए उस पर स्थिर ऋणात्मक आवेश है। यह ख़ाली हुई परत ह्रासी क्षेत्र है। गेट वोल्टेज बढ़ने के साथ यह गहरी होती जाती है, थ्रेशोल्ड तक।

थ्रेशोल्ड और व्युत्क्रम परत

एक ख़ास गेट वोल्टेज के ऊपर होलों को धकेलने से ज़रूरी आवेश नहीं मिल पाता, और उसकी जगह इलेक्ट्रॉन सतह पर जमा होने लगते हैं। वे बगल के सोर्स से आते हैं, जो उनसे भरा है। जैसे ही उस पतली सतही परत में होलों से ज़्यादा इलेक्ट्रॉन हो जाते हैं, वह परत n-टाइप बन जाती है। इसे व्युत्क्रम परत (इनवर्ज़न लेयर) कहते हैं, और यही चैनल है: सोर्स से ड्रेन तक n-टाइप का एक अटूट रास्ता।

जिस गेट वोल्टेज पर यह होता है उसे थ्रेशोल्ड वोल्टेज (देहली वोल्टता) कहते हैं, मॉडल में इसे 0.7 V रखा गया है। असली निर्माण प्रक्रिया में यह सबस्ट्रेट की डोपिंग, ऑक्साइड की मोटाई और गेट के पदार्थ पर निर्भर करता है, और निर्माता डोपेंट का एक अतिरिक्त इम्प्लांट करके इसे साधते हैं। थ्रेशोल्ड के बाद ह्रासी क्षेत्र बढ़ना बंद कर देता है, और गेट पर हर अतिरिक्त वोल्ट चैनल में और इलेक्ट्रॉन लाने में लगता है।

संख्याओं से वर्ग नियम की जाँच

MOSFET का सबसे सरल काम का मॉडल वर्ग नियम है, और प्रदर्शनी इसे सीधे इस्तेमाल करती है। ऑक्साइड से शुरू करें। इसकी प्रति इकाई क्षेत्रफल धारिता है

Cox = εox / tox = (3.9 × 8.854 × 10⁻¹² F/m) / (10 × 10⁻⁹ m) = 3.45 × 10⁻³ F/m², यानी 0.345 µF/cm²।

थ्रेशोल्ड से ऊपर का हर वोल्ट, जिसे ओवरड्राइव कहते हैं, गेट के हर वर्ग सेंटीमीटर के नीचे Cox × 1 V जितना इलेक्ट्रॉन आवेश लाता है। गेट पर 1.2 V हो तो ओवरड्राइव 0.5 V है, जो प्रति वर्ग सेंटीमीटर 1.08 × 10¹² इलेक्ट्रॉन बनता है।

ये इलेक्ट्रॉन कितनी तेज़ी से चलते हैं, यह उनकी गतिशीलता पर निर्भर है, जिसे चैनल में 500 cm²/V·s माना गया है। गतिशीलता को Cox से गुणा करें तो प्रक्रिया स्थिरांक k′ = 173 µA/V² मिलता है। चैनल 10 µm चौड़ा और 1 µm लंबा है, इसलिए β = k′ × W/L = 1.73 mA/V²।

ड्रेन वोल्टेज काफ़ी बड़ा हो तो ड्रेन करंट है

Id = ½ β (Vgs − Vt)²।

1.2 V पर इससे ½ × 1.73 mA/V² × (0.5 V)² = 0.216 mA मिलता है। 2.5 V पर ओवरड्राइव 1.8 V है और करंट 2.80 mA, और 3.3 V पर यह 5.84 mA है। ओवरड्राइव को 0.5 V से दुगना करके 1.0 V करने पर करंट चार गुना हो जाता है, इसीलिए रीडआउट का वक्र ऊपर की ओर मुड़ता है। 0.7 V से नीचे मॉडल ठीक शून्य देता है।

आप इलेक्ट्रॉन गिन भी सकते हैं। ड्रेन 2 V और गेट 1.2 V पर चैनल में लगभग 72,000 इलेक्ट्रॉन होते हैं, और उनके आवेश को करंट से भाग देने पर एक इलेक्ट्रॉन के पार जाने का समय मिलता है: लगभग 53 पिकोसेकंड। गेट पर 2.0 V हो तो यह घटकर 20 पिकोसेकंड रह जाता है।

ड्रेन वाले सिरे पर चैनल पिंच-ऑफ़ क्यों होता है

चैनल के इलेक्ट्रॉन गेट वोल्टेज को अपने नीचे के सिलिकॉन के सापेक्ष महसूस करते हैं, और वह सिलिकॉन सोर्स के पास 0 V पर है पर ड्रेन के पास ड्रेन वोल्टेज पर। इसलिए चैनल के साथ-साथ ओवरड्राइव घटता है, और उसके साथ इलेक्ट्रॉनों की परत भी। मॉडल में चैनल इसी रूप में बनाया गया है, सोर्स पर मोटा और ड्रेन की ओर पतला।

ड्रेन वोल्टेज कम हो तो चैनल प्रतिरोधक की तरह व्यवहार करता है और करंट ड्रेन वोल्टेज के अनुपात में बढ़ता है। यह रैखिक क्षेत्र है। गेट पर 3.3 V और ड्रेन पर 0.1 V हो तो करंट 0.44 mA है, यानी लगभग 227 Ω का प्रतिरोध। बंद (जुड़े हुए) स्विच के रूप में इस्तेमाल होने पर ट्रांज़िस्टर इसी हालत में होता है।

ड्रेन वोल्टेज को बढ़ाकर ओवरड्राइव के बराबर कर दें तो इलेक्ट्रॉन परत ड्रेन वाले सिरे पर पतली होते-होते मिट जाती है। यह पिंच-ऑफ़ है। इलेक्ट्रॉन फिर भी पार जाते हैं, ड्रेन उन्हें तेज़ क्षेत्र वाली छोटी दरार से खींच ले जाता है, पर ड्रेन वोल्टेज और बढ़ाने से करंट में मुश्किल से कुछ जुड़ता है। ट्रांज़िस्टर संतृप्ति क्षेत्र में है। चरण 5 में, गेट पर 2.5 V के साथ, ड्रेन पर 1 V होने पर करंट 2.24 mA है और 2 V तथा 3.3 V दोनों पर 2.80 mA।

दो ट्रांज़िस्टर से इन्वर्टर

लॉजिक गेट को एक ट्रांज़िस्टर चाहिए जो आउटपुट को नीचे खींचे और दूसरा जो ऊपर खींचे। CMOS (कॉम्प्लिमेंटरी MOS) पहले काम के लिए n-चैनल ट्रांज़िस्टर और दूसरे के लिए p-चैनल ट्रांज़िस्टर लेता है। p-चैनल उपकरण दर्पण-प्रतिबिंब है: n-टाइप वेल में p-टाइप सोर्स और ड्रेन, और यह तब चालू होता है जब इसका गेट सोर्स से काफ़ी नीचे हो।

बोर्ड पर दोनों गेट इनपुट से जुड़े हैं। इनपुट 3.3 V हो तो nMOS चालू और pMOS बंद है, इसलिए आउटपुट 0 V पर खिंच जाता है और LED बुझी रहती है। इनपुट 0 V हो तो उलटा होता है और आउटपुट 3.3 V पर रहता है। दोनों छोरों पर एक ट्रांज़िस्टर बंद है, इसलिए सप्लाई से ग्राउंड तक कोई रास्ता नहीं, और अपनी अवस्था बनाए रखते हुए परिपथ लगभग कुछ नहीं लेता। करंट सिर्फ़ स्विच होते समय बहता है।

मॉडल में pMOS को 2.5 गुना चौड़ा बनाया गया है, ताकि होलों के इलेक्ट्रॉनों से धीमे चलने की भरपाई हो। इससे स्विचिंग बिंदु 1.65 V पर आता है, सप्लाई का आधा, जहाँ दोनों ट्रांज़िस्टरों से थोड़ी देर 0.84 mA बहता है। ऐसे गेटों को जोड़ें तो लॉजिक गेट संख्याएँ कैसे जोड़ते हैं वाला परिपथ बना सकते हैं।

ट्रांज़िस्टर प्रवर्धन कैसे करता है

जो वक्र अच्छा स्विच बनाता है, वही प्रवर्धक भी बनाता है। गेट को संतृप्ति में 1.2 V पर रखें और उसे दोनों ओर 50 mV डोलने दें। वहाँ वक्र का ढाल, यानी ट्रांसकंडक्टेंस gm = β (Vgs − Vt), 0.86 mA प्रति वोल्ट है, इसलिए करंट हर ओर लगभग 43 µA बदलता है।

ड्रेन को 5 V सप्लाई से 10 kΩ प्रतिरोधक के ज़रिए जोड़ें, तो करंट का यह बदलाव प्रतिरोधक पर वोल्टेज के बदलाव में बदल जाता है। ड्रेन 2.84 V पर है और 2.39 V से 3.25 V के बीच डोलता है: 0.1 V इनपुट पर 0.86 V का बदलाव। वोल्टेज गेन gm × R = 8.6 है। आउटपुट इनपुट से उलटी दिशा में चलता है, इसलिए इस परिपथ को इन्वर्टिंग प्रवर्धक कहते हैं। वक्र पर इनपुट और आउटपुट का डोलना चिह्नित देखने के लिए छोटे सिग्नल वाला नियंत्रण चालू करें।

एक चिप पर 1,600 करोड़

Apple के अनुसार 2020 की उसकी M1 चिप में 1,600 करोड़ ट्रांज़िस्टर हैं। हर सेकंड एक गिनते हुए बिना रुके चलें, तो 507 साल में गिनती पूरी होगी। 2023 की Apple M3 Max में 9,200 करोड़ हैं, और NVIDIA के अनुसार उसकी Blackwell आर्किटेक्चर वाली GPU में 20,800 करोड़। तुलना के लिए, 1971 के Intel 4004 माइक्रोप्रोसेसर में 2,300 थे, यानी M1 में लगभग 70 लाख गुना ज़्यादा।

ये इसलिए समा जाते हैं कि आधुनिक ट्रांज़िस्टर बहुत छोटे हैं: गेट की लंबाई मॉडल के 1 µm की जगह दसियों नैनोमीटर है, और गेट ऊपर बैठने के बजाय चैनल को कई ओर से लपेटते हैं। सिद्धांत वही है जो ब्लॉक में दिखता है: गेट वोल्टेज, जो चालक चैनल बनाता या हटाता है।

मॉडल क्या छोड़ देता है

• छोटे चैनल। वर्ग नियम मॉडल के 1 µm जैसे लंबे चैनलों पर लागू होता है। छोटे चैनलों में इलेक्ट्रॉन एक अधिकतम गति तक पहुँच जाते हैं, और करंट ओवरड्राइव के वर्ग के बजाय लगभग ओवरड्राइव के अनुपात में बढ़ता है।
• थ्रेशोल्ड के नीचे का करंट। असली ट्रांज़िस्टर थ्रेशोल्ड के नीचे भी थोड़ा करंट रिसने देते हैं, जो कमरे के तापमान पर गेट वोल्टेज के हर 60 mV या उससे ज़्यादा पर दस गुना घटता है। मॉडल इसे शून्य रखता है।
• चैनल-लंबाई मॉड्यूलेशन। संतृप्ति में भी करंट ड्रेन वोल्टेज के साथ धीरे-धीरे बढ़ता रहता है। मुख्य मॉडल इसे छोड़ देता है। इन्वर्टर में 0.05 प्रति वोल्ट का छोटा ढाल जोड़ा गया है, ताकि हर इनपुट पर आउटपुट का एक ही मान हो।
• पैमाना। आवेश असली से कहीं बड़े और कहीं कम दिखाए गए हैं, और ऑक्साइड चैनल के मुक़ाबले मोटा बनाया गया है।
• आकार। गेट और दोनों हिस्से ब्लॉक में सीधे पीछे तक जाते हैं। आधुनिक चिप फ़िन और गेट-ऑल-अराउंड आकार इस्तेमाल करती हैं।

जर्मेनियम के टुकड़े से MOSFET तक

क्षेत्र से करंट नियंत्रित करने का विचार पहले आया। जूलियस लिलियनफ़ेल्ड ने 1926 में एक फ़ील्ड-इफ़ेक्ट उपकरण का पेटेंट दाख़िल किया, पर 1930 के दशक में उसे बनाने की कोशिशें सफल नहीं हुईं। बेल लैब्स में विलियम शॉकली ने 1945 में एक फ़ील्ड-इफ़ेक्ट प्रवर्धक की कल्पना की, जो सोचे मुताबिक़ काम नहीं किया। जॉन बार्डीन ने सुझाया कि अर्धचालक की सतह के इलेक्ट्रॉन क्षेत्र को रोक रहे हैं, और उन्होंने और वॉल्टर ब्रैटेन ने इन सतही अवस्थाओं का अध्ययन शुरू किया।

16 दिसंबर 1947 को उन्होंने पहला अर्धचालक प्रवर्धक चालू कर दिखाया। प्लास्टिक की फन्नी से थमे दो पास-पास सोने के संपर्क उच्च शुद्धता वाले जर्मेनियम के एक छोटे टुकड़े पर दबे थे। एक संपर्क पर लगा वोल्टेज दूसरे से होकर जाने वाले करंट को नियंत्रित करता था और सिग्नल को 100 गुना तक बढ़ा देता था। 23 दिसंबर को उन्होंने इसे बेल लैब्स के अधिकारियों को दिखाया, इंजीनियर जॉन पियर्स ने इसे ट्रांज़िस्टर नाम दिया, और बेल लैब्स ने 30 जून 1948 को एक प्रेस कॉन्फ़्रेंस में इसकी घोषणा की। शॉकली, बार्डीन और ब्रैटेन को 1956 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार साझा रूप से मिला।

सतह की समस्या ऑक्साइड से सुलझी। 1959 में बेल लैब्स में एम. एम. (जॉन) अटाला और डावन कांग ने ऊष्मा से उगाए गए सिलिकॉन डाइऑक्साइड पर पहला काम करने वाला इंसुलेटेड-गेट फ़ील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांज़िस्टर बनाया। 1963 में फ़ेयरचाइल्ड के सी. टी. सा और फ़्रैंक वानलास ने दिखाया कि p-चैनल और n-चैनल ट्रांज़िस्टरों की जोड़ी स्टैंडबाय में लगभग शून्य बिजली लेती है, और वानलास ने उस विचार का पेटेंट कराया जिसे आज CMOS कहते हैं।

एक बिट बदलने के लिए ऊर्जा

आदर्श मॉडल में अछूते गेट को लगातार चालन धारा नहीं चाहिए, पर आवेश चाहिए। गेट और चैनल एक संधारित्र बनाते हैं; तार और अगली परिपथ अवस्था के गेट भी धारिता जोड़ते हैं। वोल्टेज बदलने के लिए चालक परिपथ को यह आवेश स्थानांतरित करना पड़ता है। MIT का संगणना संरचना पाठ्यक्रम इसे Q = CV से बताता है। बिट को बनाए रखना और बार-बार बदलना अलग काम हैं: पहले में बहुत कम शक्ति लगने पर भी दूसरे में काफी शक्ति लग सकती है।

गणना के लिए कुल स्विच की जाने वाली धारिता 1 fF और वोल्टेज परिवर्तन 1 V मानें। ये कल्पित मान हैं, प्रदर्शनी के माप या किसी विशेष प्रोसेसर के विनिर्देश नहीं। आवश्यक आवेश 1 fC है। चार्ज होने पर संचित ऊर्जा ½CV² = 0.5 fJ है। स्थिर वोल्टेज स्रोत से सामान्य प्रतिरोधी चार्जिंग में स्रोत CV² = 1 fJ देता है: आधी ऊर्जा जमा होती है और आधी चार्जिंग के दौरान ऊष्मा बनती है। डिस्चार्जिंग में संचित आधी भी खर्च होती है। इसलिए इस सरल परिपथ में पूरे चार्ज और डिस्चार्ज चक्र में 1 fJ खर्च होता है, 0.5 fJ नहीं। ऊर्जा वापस पाने वाले परिपथ अलग तरह से काम कर सकते हैं; वे यहाँ नहीं दिखाए गए हैं।

मानें कि यह नोड प्रति सेकंड 1 अरब ऐसे चक्र पूरा करता है। औसत स्विचिंग शक्ति 1 µW होगी। यदि 10 लाख समान नोड एक साथ ऐसा करें, कुल शक्ति 1 W होगी। इसका अर्थ यह नहीं कि 1 अरब ट्रांज़िस्टर वाली चिप का हर ट्रांज़िस्टर हर क्लॉक चक्र में बदलता है। कई नोड अपना मान रखते हैं और अलग ब्लॉक अलग समय पर चलते हैं। क्लॉक आवृत्ति समय चक्र गिनती है, हर ट्रांज़िस्टर के परिवर्तन नहीं। P = αCV²f में सक्रियता गुणांक बताता है कि प्रत्येक चक्र में नोड वास्तव में कितनी बार निम्न से उच्च स्तर तक चार्ज होता है।

अब धारिता और सक्रियता बदले बिना कल्पित वोल्टेज 1 V से 0.8 V करें। स्विचिंग ऊर्जा पहले की 0.64 रह जाएगी, यानी 36 प्रतिशत कम। वर्ग का संबंध महत्त्वपूर्ण है। लेकिन कम वोल्टेज चालक धारा भी घटाता है और लॉजिक पथ को धीमा या अविश्वसनीय बना सकता है। ऊर्जा बचत पर संकेत स्थिर होने के लिए उपलब्ध समय की सीमा लगती है। इसलिए प्रोसेसर की वोल्टेज और आवृत्ति सेटिंग जुड़ी होती हैं; वे बिना परस्पर प्रभाव के स्वतंत्र नियंत्रण नहीं हैं।

रिसाव और बंद अवस्था की सीमा

वक्र का समतल शून्य-धारा भाग मॉडल का चुनाव है। वास्तविक MOSFET में गेट वोल्टेज नाममात्र थ्रेशोल्ड से नीचे होने पर भी उप-थ्रेशोल्ड धारा होती है। आवेश वाहक तापीय गति से विभव अवरोध पार कर सकते हैं। अवरोध गेट वोल्टेज के साथ लगातार बदलता है, इसलिए वास्तविक युक्ति ठीक 0.7 V पर पूर्ण अचालक से चालक नहीं बन जाती। थ्रेशोल्ड उपयोगी इंजीनियरी संदर्भ है, यांत्रिक कुंडी नहीं।

दूसरे रिसाव पथों में विपरीत बायस वाले जंक्शन और बहुत पतले गेट इंसुलेटर से गुजरती धारा शामिल हैं। उनका महत्त्व तकनीक, आकार, तापमान और कार्य वोल्टेज पर निर्भर करता है। आधुनिक गेट की परतों के पदार्थ और मोटाई इस तरह चुने जाते हैं कि स्थिरवैद्युत नियंत्रण बना रहे और रिसाव सीमित हो। चैनल को अधिक घेरने वाला गेट अनचाहा सोर्स-ड्रेन चालन दबाने में मदद करता है, लेकिन आवेश निकलने के हर पथ को समाप्त नहीं करता।

दूसरी कल्पित गणना बताती है कि बड़ी चिप में छोटी धाराएँ क्यों महत्त्वपूर्ण हैं। 1 V पर 1 nA रिसाव धारा 1 nW के बराबर है। यदि 1 अरब युक्तियों में समान परिस्थितियों में इतना रिसाव हो, तो उपयोगी स्विचिंग के बिना भी कुल 1 W होगा। असली चिप में सबका रिसाव समान नहीं होता: ट्रांज़िस्टर प्रकार, लॉजिक स्थिति और तापमान बदलते हैं। यह पैमाने का उदाहरण है, M1 की खपत का पूर्वानुमान नहीं। इससे समझ आता है कि निष्क्रिय ब्लॉक की आपूर्ति काटना, यानी पावर गेटिंग, केवल क्लॉक रोकने से अधिक ऊर्जा क्यों बचा सकता है। क्लॉक गेटिंग स्विचिंग घटाती है, अपने आप रिसाव नहीं मिटाती।

ट्रांज़िस्टर संख्या और प्रक्रिया नाम का अर्थ

कंप्यूटर इतिहास संग्रहालय मूर के अवलोकन को 1965 के लेख से जोड़ता है। उनके मूल अनुमान में एकीकृत परिपथ के घटक हर वर्ष दुगुने होते थे; 1975 में उन्होंने दीर्घकालीन दर लगभग हर दो वर्ष में दुगुनी की। यह अवलोकन और उद्योग का लक्ष्य था, ऐसा भौतिक नियम नहीं जो हर प्रोसेसर को नियत तारीख पर संख्या दुगुनी करने को बाध्य करे। विषय आर्थिक एकीकरण भी था, हर प्रोग्राम के दुगुना तेज चलने का वादा नहीं।

ऐतिहासिक Intel 4004 के 2,300 ट्रांज़िस्टर और Apple द्वारा M1 के लिए बताए गए 16 अरब की तुलना करें। दूसरे को पहले से भाग देने पर लगभग 70 लाख मिलते हैं। यह घटक संख्या का अनुपात है, प्रदर्शन परीक्षण नहीं। M1 में प्रोसेसर कोर के साथ कैश, ग्राफ़िक्स और दूसरे कार्यात्मक ब्लॉक हैं। दोनों चिप की संरचना, शब्द आकार और कार्यभार बहुत अलग हैं। आधुनिक चिप के काफी ट्रांज़िस्टर गणना के बजाय बिट जमा कर सकते हैं। केवल प्रमुख कुल संख्या की तुलना ये अंतर छिपाती है।

नैनोमीटर वाला प्रक्रिया नाम चिप के हर गेट की मापी गई लंबाई नहीं है। IEEE IRDS जैसे रोडमैप गेट लंबाई और दोहराई जाने वाली संरचनाओं की पिच जैसी अलग भौतिक राशियाँ बताते हैं। पिच विशेषताओं के दोहराव का अंतर है, चालक चैनल की लंबाई नहीं। अलग निर्माताओं के नोड नाम साझा पैमाना नहीं हैं। सार्थक तुलना में राशि, माप विधि और तुलना का परिपथ बताना चाहिए, न कि विपणन नाम को एक भौतिक आयाम के बराबर मानना चाहिए।

आकार भी बदलता है। समतल MOSFET में सपाट चैनल के ऊपर गेट होता है। FinFET में सतह से पतला फिन उठता है और गेट उसके कई पक्ष नियंत्रित करता है। गेट-ऑल-अराउंड युक्ति में गेट संकरे चैनल को घेरता है; चैनल अक्सर परतदार शीट या तार होते हैं। चैनल घेरने से ड्रेन के विद्युत क्षेत्र की तुलना में गेट का नियंत्रण बढ़ता है; युक्ति छोटी होने पर ड्रेन क्षेत्र की समस्या बढ़ती है। ये क्षेत्र नियंत्रण की अलग ज्यामितियाँ हैं, खुलते-बंद होते छोटे यांत्रिक संपर्क नहीं। प्रदर्शनी समतल काट बनाए रखती है ताकि इन्वर्ज़न परत और स्थिर डोपिंग आयन स्पष्ट दिखें। यह वर्तमान निर्माण नोड का ज्यामितीय चित्र नहीं है।

मौजूदा नियंत्रणों से प्रयोग

“ड्रेन वोल्टेज” को 2 V पर रखकर “गेट वोल्टेज” बदलें। पहले गेट को 0.7 V से नीचे रखें, फिर थ्रेशोल्ड से ऊपर करें। मॉडल में चालक चैनल न होने से इन्वर्ज़न परत बनने तक परिवर्तन होता है। थ्रेशोल्ड के पास ऐसे दो मान चुनें जिनके ओवरड्राइव में 2 का गुणक हो और दोनों सैचुरेशन में रहें। आदर्श वर्ग नियम धारा का अनुपात 4 बताता है। एनिमेशन के इलेक्ट्रॉन गिनने के बजाय रीडआउट देखें: संख्या और गति आवेश की गति दिखाने के लिए चुनी गई हैं, प्रत्येक वास्तविक वाहक दोहराने के लिए नहीं।

फिर गेट को थ्रेशोल्ड से ऊपर रखकर “ड्रेन वोल्टेज” शून्य करें। चैनल हो सकता है, पर उसे चलाने वाला ड्रेन-सोर्स वोल्टेज न होने से शुद्ध ड्रेन धारा समाप्त हो जाती है। ड्रेन वोल्टेज धीरे बढ़ाएँ और कम वोल्टेज वाले प्रतिरोधी क्षेत्र की तुलना सैचुरेशन से करें। सैचुरेशन का अर्थ चैनल खाली होना या धारा रुकना नहीं है। आदर्श लंबे चैनल मॉडल में और ड्रेन वोल्टेज बढ़ाने से धारा बहुत नहीं बढ़ती। इस MOSFET सैचुरेशन को बाइपोलर ट्रांज़िस्टर स्विच वाले अर्थ से न मिलाएँ।

अंत में “इन्वर्टर इनपुट” को पूरे दायरे में बदलकर आउटपुट देखें, फिर एम्पलीफ़ायर चित्र के लिए “गेट पर छोटा सिग्नल” चालू करें। इन्वर्टर इनपुट के दायरे को विपरीत लॉजिक स्तर देता है; एम्पलीफ़ायर चुने गए कार्यबिंदु के आसपास छोटे परिवर्तन लेता है। चलती निशानियाँ और छोटा-सिग्नल एनिमेशन प्रोसेसर की अधिकतम क्लॉक का माप नहीं हैं। प्रदर्शनी में GHz समय प्रयोग, गेट धारिता मीटर या तापमान नियंत्रण नहीं है। ऊपर की गणनाएँ दृश्य मॉडल का विस्तार करने वाले कागज़ी प्रयोग हैं, स्क्रीन पर खोजने वाले छिपे नियंत्रण नहीं।