Cara kerja transistor

Apa yang ditunjukkan model ini

Prosesor ponsel atau laptop adalah sekeping silikon yang memuat miliaran sakelar, dan tak satu pun punya bagian yang bergerak. Masing-masing menyalakan dan mematikan arus karena tegangan pada satu elektrode mengubah sifat silikon di bawahnya, setidaknya pada beberapa nanometer yang paling dekat dengan permukaan. Peraga ini menunjukkan cara kerjanya pada jenis transistor yang paling umum, MOSFET kanal-n (transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor).

Balok di tengah adalah satu transistor yang dibelah di tengah, jadi Anda melihat penampangnya. Pulau biru adalah sumber (source) dan cerat (drain), badan merah muda adalah substrat, lapisan tipis pucat di atasnya adalah oksida gerbang, dan balok di atasnya adalah gerbang (gate). Sumbat dan bantalan menghubungkan sumber dan cerat ke catu daya dan amperemeter, dan gerbang punya sumbatnya sendiri di belakang. Bidang potongan menunjukkan muatan: cincin merah adalah hole, titik biru adalah elektron bebas, dan garis pendek biru tua adalah ion boron yang tidak bisa bergerak. Di kiri, sebuah panel menunjukkan kisi silikon dengan satu atom asing di setiap belahan. Di kanan, sebuah papan kecil memasangkan dua transistor menjadi inverter, gerbang logika paling sederhana. Di depan ada kemasan cip dan replika transistor pertama tahun 1947.

Penggeser tegangan gerbang adalah kendali utama. Panel bacaan menggambar arus cerat terhadap tegangan gerbang, dan titiknya menunjukkan posisi transistor pada kurva itu.

Silikon yang nyaris tidak menghantar

Setiap atom silikon punya empat elektron terluar dan membaginya dengan empat tetangga, dua elektron untuk setiap ikatan. Dalam kristal sempurna pada suhu ruang, hampir semua elektron itu tertahan di tempatnya. Panas hanya membebaskan sekitar 10¹⁰ per sentimeter kubik dari 5 × 10²² atom, sehingga silikon murni adalah penghantar yang buruk.

Doping mengubah hal itu. Ganti satu atom silikon dengan fosfor, yang punya lima elektron terluar: empat masuk ke ikatan, sedangkan yang kelima terikat begitu longgar sehingga lepas pada suhu ruang. Silikon dengan kelebihan elektron seperti ini disebut tipe-n. Boron hanya punya tiga elektron terluar, sehingga satu dari empat ikatannya kekurangan elektron. Elektron tetangga bisa melompat ke celah itu, dan celahnya pun berpindah satu ikatan. Celah yang berpindah ini berperilaku seperti muatan positif dan disebut hole. Silikon dengan kelebihan hole disebut tipe-p.

Yang dibutuhkan sangat sedikit. Substrat dalam model memuat 10¹⁷ atom boron per sentimeter kubik, satu untuk setiap 500.000 atom silikon. Sumber dan cerat didoping jauh lebih kuat, dengan 10²⁰ atom fosfor per sentimeter kubik, satu dari 500.

Mengapa awalnya tidak ada arus

Dengan gerbang pada 0 V, ikuti jalan yang harus ditempuh elektron dari sumber ke cerat. Elektron meninggalkan pulau tipe-n yang penuh elektron, menyeberangi silikon tipe-p yang penuh hole, lalu masuk ke pulau tipe-n yang lain. Setiap batas antara n dan p adalah sambungan pn, dan keduanya menghadap ke arah berlawanan. Bagaimanapun catu daya dipasang, salah satunya berada dalam bias mundur dan menghalangi arus. Itulah sebabnya amperemeter menunjukkan nol meskipun ada 2 V di cerat.

Agar arus bisa lewat, jalur silikon tipe-p di antara kedua pulau harus menjadi tipe-n. Gerbang melakukan persis hal itu, dan tanpa menyentuh silikon.

Bagaimana gerbang bekerja menembus oksida

Gerbang duduk di atas lapisan silikon dioksida setebal 10 nanometer dalam model. Oksida adalah isolator, jadi gerbang, oksida, dan silikon membentuk kapasitor. Beri tegangan positif pada gerbang dan muatan positif berkumpul di sana. Muatan negatif yang sama besar harus berkumpul di sisi lain oksida, di dalam silikon.

Mula-mula silikon mendapatkan muatan negatif itu dengan melepaskan hole. Atur gerbang ke 0,5 V dan perhatikan: hole di bawah gerbang terdorong ke bawah, meninggalkan ion boron. Setiap ion boron menerima satu elektron ke dalam ikatannya ketika hole-nya pergi, sehingga membawa muatan negatif yang tetap. Lapisan yang dikosongkan ini adalah daerah deplesi. Daerah ini makin dalam seiring naiknya tegangan gerbang, sampai ambang.

Ambang dan lapisan inversi

Di atas tegangan gerbang tertentu, mendorong hole tidak lagi mencukupi muatan yang dibutuhkan, dan elektron mulai berkumpul di permukaan. Elektron-elektron itu datang dari sumber di sebelahnya, yang penuh elektron. Begitu lapisan permukaan yang tipis itu memuat lebih banyak elektron daripada hole, lapisan itu sudah menjadi tipe-n. Lapisan ini disebut lapisan inversi, dan itulah kanal: jalur tipe-n yang bersambung dari sumber ke cerat.

Tegangan gerbang saat hal ini terjadi adalah tegangan ambang, yang dalam model ditetapkan 0,7 V. Dalam proses nyata, nilainya bergantung pada doping substrat, tebal oksida, dan bahan gerbang, dan pabrikan menyetelnya dengan implantasi dopan tambahan. Lewat ambang, daerah deplesi berhenti tumbuh, dan setiap volt tambahan pada gerbang menjadi tambahan elektron di kanal.

Menguji hukum kuadrat dengan angka

Model MOSFET paling sederhana yang berguna adalah hukum kuadrat, dan peraga ini memakainya langsung. Mulailah dari oksida. Kapasitansinya per satuan luas adalah

Cox = εox / tox = (3,9 × 8,854 × 10⁻¹² F/m) / (10 × 10⁻⁹ m) = 3,45 × 10⁻³ F/m², atau 0,345 µF/cm².

Setiap volt di atas ambang, yang disebut tegangan overdrive, menempatkan muatan elektron sebesar Cox × 1 V di bawah setiap sentimeter persegi gerbang. Pada 1,2 V di gerbang, overdrive-nya 0,5 V, yang setara dengan 1,08 × 10¹² elektron per sentimeter persegi.

Seberapa cepat elektron itu bergerak bergantung pada mobilitasnya, yang di kanal diambil 500 cm²/V·s. Kalikan mobilitas dengan Cox dan Anda mendapat konstanta proses k′ = 173 µA/V². Kanal selebar 10 µm dan sepanjang 1 µm, jadi β = k′ × W/L = 1,73 mA/V².

Bila tegangan cerat cukup besar, arus cerat adalah

Id = ½ β (Vgs − Vt)².

Pada 1,2 V hasilnya ½ × 1,73 mA/V² × (0,5 V)² = 0,216 mA. Pada 2,5 V overdrive-nya 1,8 V dan arusnya 2,80 mA, dan pada 3,3 V arusnya 5,84 mA. Menggandakan overdrive dari 0,5 V menjadi 1,0 V melipatempatkan arus, itulah sebabnya kurva di panel bacaan melengkung ke atas. Di bawah 0,7 V model memberi tepat nol.

Anda juga bisa menghitung elektronnya. Dengan cerat pada 2 V dan gerbang pada 1,2 V, kanal memuat sekitar 72.000 elektron, dan membagi muatannya dengan arus memberi waktu yang dibutuhkan satu elektron untuk menyeberang: sekitar 53 pikodetik. Pada 2,0 V di gerbang waktunya turun menjadi 20 pikodetik.

Mengapa kanal terjepit di ujung cerat

Elektron di kanal merasakan tegangan gerbang relatif terhadap silikon di bawahnya, dan silikon itu bertegangan 0 V di dekat sumber tetapi bertegangan cerat di dekat cerat. Jadi overdrive mengecil di sepanjang kanal, dan lembaran elektron pun ikut menipis. Dalam model, kanal digambar dengan profil itu, tebal di sumber dan makin tipis ke arah cerat.

Bila tegangan cerat kecil, kanal berperilaku seperti resistor dan arus naik seiring tegangan cerat. Inilah daerah linear. Dengan 3,3 V di gerbang dan 0,1 V di cerat, arusnya 0,44 mA, setara hambatan sekitar 227 Ω. Itulah keadaan transistor saat dipakai sebagai sakelar tertutup.

Naikkan tegangan cerat sampai sama dengan overdrive, maka lembaran elektron menipis hingga lenyap di ujung cerat. Inilah pinch-off (penjepitan). Elektron tetap menyeberang, ditarik cerat melewati celah pendek bermedan kuat, tetapi tambahan tegangan cerat hampir tidak menambah arus. Transistor berada dalam saturasi. Pada langkah 5, dengan 2,5 V di gerbang, arusnya 2,24 mA dengan 1 V di cerat dan 2,80 mA baik pada 2 V maupun 3,3 V.

Dua transistor membentuk inverter

Gerbang logika membutuhkan satu transistor yang menarik keluaran ke bawah dan satu lagi yang menariknya ke atas. CMOS (MOS komplementer) memakai transistor kanal-n untuk tugas pertama dan transistor kanal-p untuk tugas kedua. Perangkat kanal-p adalah bayangan cerminnya: sumber dan cerat tipe-p di dalam sumur tipe-n, yang menyala ketika gerbangnya cukup jauh di bawah sumbernya.

Di papan, kedua gerbang disambungkan ke masukan. Dengan masukan 3,3 V, nMOS menyala dan pMOS mati, sehingga keluaran ditarik ke 0 V dan LED padam. Dengan masukan 0 V, keadaannya terbalik dan keluaran bertahan pada 3,3 V. Di kedua ujung, satu transistor mati, sehingga tidak ada jalur dari catu daya ke ground, dan rangkaian hampir tidak memakai daya selama mempertahankan keadaannya. Arus hanya mengalir saat peralihan.

Dalam model, pMOS dibuat 2,5 kali lebih lebar untuk mengimbangi hole yang bergerak lebih lambat daripada elektron. Dengan begitu titik peralihan berada pada 1,65 V, setengah tegangan catu, ketika 0,84 mA mengalir sesaat melalui kedua transistor. Gabungkan gerbang seperti ini dan Anda bisa membangun rangkaian dalam Cara gerbang logika menjumlahkan bilangan.

Bagaimana transistor menguatkan

Kurva yang sama yang membuat sakelar yang baik juga membuat penguat. Tahan gerbang pada 1,2 V, dalam saturasi, dan biarkan berayun 50 mV ke masing-masing arah. Kemiringan kurva di situ, yaitu transkonduktansi gm = β (Vgs − Vt), adalah 0,86 mA per volt, sehingga arus berubah sekitar 43 µA ke masing-masing arah.

Catu cerat dari sumber 5 V melalui resistor 10 kΩ, maka perubahan arus itu menjadi perubahan tegangan pada resistor. Cerat berada pada 2,84 V dan berayun antara 2,39 V dan 3,25 V, ayunan 0,86 V untuk masukan 0,1 V. Penguatan tegangannya gm × R = 8,6. Keluaran juga bergerak berlawanan arah dengan masukan, sehingga rangkaian ini disebut penguat pembalik. Nyalakan kendali sinyal kecil untuk melihat ayunan masukan dan keluaran yang ditandai pada kurva.

Enam belas miliar dalam satu cip

Apple menyatakan cip M1 tahun 2020 memuat 16 miliar transistor. Jika Anda menghitung satu per detik tanpa berhenti, Anda baru selesai setelah 507 tahun. M3 Max buatan Apple tahun 2023 memuat 92 miliar, dan NVIDIA menyatakan GPU berarsitektur Blackwell miliknya memuat 208 miliar. Sebagai perbandingan, mikroprosesor Intel 4004 tahun 1971 memuat 2300, jadi M1 memuat sekitar tujuh juta kali lebih banyak.

Semuanya muat karena transistor modern sangat kecil, dengan panjang gerbang puluhan nanometer alih-alih 1 µm seperti dalam model, dan gerbang yang membungkus kanal dari beberapa sisi alih-alih hanya duduk di atasnya. Prinsipnya sama dengan yang ditunjukkan balok ini: tegangan gerbang yang menciptakan atau menghilangkan kanal penghantar.

Yang tidak dimasukkan dalam model

• Kanal pendek. Hukum kuadrat berlaku untuk kanal panjang seperti kanal 1 µm dalam model. Pada kanal pendek, elektron mencapai kecepatan maksimum, dan arus bertambah lebih mendekati sebanding dengan overdrive daripada dengan kuadratnya.
• Arus di bawah ambang. Transistor nyata membocorkan arus kecil di bawah ambang, yang turun sepuluh kali untuk setiap 60 mV atau lebih tegangan gerbang pada suhu ruang. Model menetapkannya nol.
• Modulasi panjang kanal. Dalam saturasi, arus masih merayap naik perlahan seiring tegangan cerat. Model utama mengabaikannya. Inverter menambahkan kemiringan kecil 0,05 per volt agar keluarannya punya satu nilai untuk setiap masukan.
• Skala. Muatan digambar jauh lebih besar dan jauh lebih sedikit daripada yang sebenarnya, dan oksida digambar lebih tebal dibanding kanal.
• Bentuk. Gerbang dan pulau-pulaunya memanjang lurus ke belakang balok. Cip modern memakai bentuk sirip (FinFET) dan gerbang yang mengelilingi kanal (gate-all-around).

Dari sekeping germanium ke MOSFET

Gagasan mengendalikan arus dengan medan muncul lebih dulu. Julius Lilienfeld mengajukan paten untuk perangkat efek medan pada 1926, tetapi upaya membuatnya sepanjang tahun 1930-an tidak berhasil. Di Bell Labs, William Shockley merancang penguat efek medan pada 1945 yang tidak bekerja seperti yang diharapkan. John Bardeen menduga bahwa elektron di permukaan semikonduktor menghalangi medan, lalu ia dan Walter Brattain mulai mempelajari keadaan permukaan itu.

Pada 16 Desember 1947 mereka berhasil menjalankan penguat semikonduktor pertama. Dua kontak emas yang sangat berdekatan, dipegang baji plastik, ditekan ke sekeping kecil germanium berkemurnian tinggi. Tegangan pada satu kontak mengendalikan arus melalui kontak lainnya dan menguatkan sinyal hingga 100 kali. Mereka memperlihatkannya kepada pimpinan Bell Labs pada 23 Desember, insinyur John Pierce memberinya nama transistor, dan Bell Labs mengumumkannya dalam konferensi pers pada 30 Juni 1948. Shockley, Bardeen, dan Brattain berbagi Hadiah Nobel Fisika 1956.

Masalah permukaan diatasi dengan oksida. Pada 1959, M. M. (John) Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs membuat transistor efek medan bergerbang terisolasi pertama yang berfungsi, di atas silikon dioksida yang ditumbuhkan secara termal. Pada 1963, C. T. Sah dan Frank Wanlass dari Fairchild menunjukkan bahwa memasangkan transistor kanal-p dan kanal-n hampir tidak memakai daya saat siaga, dan Wanlass mematenkan gagasan yang kini disebut CMOS.

Energi untuk mengubah satu bit

Dalam model ideal, gerbang terisolasi tidak memerlukan arus konduksi terus-menerus, tetapi tetap memerlukan muatan. Gerbang dan kanal membentuk kapasitor; kabel dan gerbang rangkaian berikutnya menambah kapasitansinya. Untuk mengubah tegangan, rangkaian penggerak harus memindahkan muatan itu. Kuliah struktur komputasi MIT menjelaskan hubungan ini sebagai Q = CV. Mempertahankan bit dan mengubahnya berulang kali adalah kegiatan berbeda: perubahan dapat menghabiskan daya besar meskipun mempertahankan nilai hanya memerlukan sedikit daya.

Sebagai contoh hitungan, anggap kapasitansi total yang dialihkan sebesar 1 fF dan perubahan tegangan 1 V. Ini asumsi, bukan hasil pengukuran pameran atau spesifikasi prosesor tertentu. Muatan yang dibutuhkan adalah 1 fC. Energi tersimpan setelah pengisian adalah ½CV² = 0,5 fJ. Dalam pengisian resistif biasa dari sumber tegangan tetap, sumber memberikan CV² = 1 fJ: setengah tersimpan dan setengah menjadi panas selama pengisian. Pengosongan kemudian membuang setengah yang tersimpan. Jadi satu siklus pengisian dan pengosongan penuh membuang 1 fJ pada rangkaian sederhana ini, bukan 0,5 fJ. Rangkaian pemulihan energi dapat bekerja berbeda, tetapi tidak ditampilkan di sini.

Misalkan simpul itu menyelesaikan 1 miliar siklus demikian setiap detik. Daya peralihan rata-ratanya adalah 1 µW. Jika 1 juta simpul identik melakukannya bersama, daya totalnya menjadi 1 W. Ini tidak berarti setiap transistor pada cip dengan 1 miliar transistor berganti keadaan pada setiap detak jam. Banyak simpul mempertahankan nilai dan blok berbeda bekerja pada waktu berbeda. Frekuensi jam menghitung siklus pewaktuan, bukan peralihan setiap transistor. Faktor aktivitas dalam P = αCV²f menyatakan seberapa sering simpul benar-benar diisi dari tingkat rendah ke tinggi per siklus.

Sekarang turunkan tegangan asumsi dari 1 V menjadi 0,8 V tanpa mengubah kapasitansi atau aktivitas. Energi peralihan menjadi 0,64 dari sebelumnya, turun 36 persen. Hubungan kuadrat ini penting. Namun tegangan lebih rendah juga mengurangi arus penggerak dan dapat membuat jalur logika lebih lambat atau tidak andal. Penghematan dibatasi waktu yang tersedia agar sinyal stabil. Karena itu pengaturan tegangan dan frekuensi prosesor saling terkait, bukan dua kenop mandiri yang dapat diubah tanpa akibat satu sama lain.

Kebocoran dan batas keadaan mati

Bagian kurva mendatar dengan arus nol merupakan pilihan pemodelan. MOSFET nyata mempunyai arus bawah ambang meskipun tegangan gerbang berada di bawah ambang nominal. Pembawa muatan dapat melewati penghalang potensial melalui gerak termal. Penghalang berubah secara kontinu terhadap tegangan gerbang, sehingga perangkat tidak mendadak melompat dari isolasi sempurna ke konduksi tepat pada 0,7 V. Ambang adalah acuan teknik yang berguna, bukan kait mekanis yang menutup.

Jalur kebocoran lain mencakup sambungan berbias balik dan arus melalui isolator gerbang yang sangat tipis. Kepentingan relatifnya bergantung pada teknologi perangkat, dimensi, suhu, dan tegangan operasi. Tumpukan gerbang modern menggunakan bahan dan ketebalan yang dipilih agar kendali elektrostatik tetap baik sambil membatasi kebocoran. Gerbang yang mengelilingi lebih banyak sisi kanal membantu menekan konduksi sumber-ke-drain yang tidak diinginkan, tetapi tidak menghilangkan semua jalur keluarnya muatan.

Hitungan asumsi kedua menunjukkan pentingnya arus kecil pada cip besar. Pada 1 V, arus bocor 1 nA setara dengan 1 nW. Jika 1 miliar perangkat masing-masing bocor sebanyak itu dalam kondisi sama, totalnya 1 W meskipun tidak ada peralihan berguna. Kebocoran perangkat nyata tidak seragam: jenis transistor, keadaan logika, dan suhu berbeda. Hitungan ini menunjukkan skala, bukan memperkirakan konsumsi M1. Inilah alasan memutus catu daya blok menganggur, disebut power gating, dapat menghemat lebih banyak daripada hanya menghentikan jamnya. Clock gating mengurangi aktivitas peralihan, tetapi tidak dengan sendirinya menghapus kebocoran.

Arti jumlah transistor dan nama proses

Computer History Museum menelusuri pengamatan Moore ke artikel tahun 1965. Ekstrapolasi awalnya menggandakan jumlah komponen per rangkaian terpadu setiap tahun; pada 1975 ia mengubah laju jangka panjang menjadi sekitar dua kali lipat setiap dua tahun. Ini pengamatan dan sasaran industri, bukan hukum fisika yang mewajibkan setiap prosesor menggandakan jumlah pada tanggal tetap. Pokoknya juga integrasi yang ekonomis, bukan janji bahwa setiap program akan berjalan dua kali lebih cepat.

Bandingkan 2.300 transistor Intel 4004 bersejarah dengan 16 miliar yang dilaporkan Apple untuk M1. Pembagian jumlah kedua dengan pertama menghasilkan sekitar 7 juta. Rasio itu mengenai komponen, bukan tolok ukur kinerja. Selain inti prosesor, M1 berisi cache, grafis, dan blok fungsi lain; arsitektur, panjang kata, dan beban kerja kedua cip sangat berbeda. Banyak transistor cip modern mungkin digunakan untuk menyimpan bit, bukan berhitung. Membandingkan hanya jumlah utama menutupi perbedaan ini.

Nama node proses dalam nanometer tidak boleh dibaca sebagai panjang terukur setiap gerbang. Peta jalan seperti IEEE IRDS membedakan besaran fisik, termasuk panjang gerbang dan pitch struktur berulang. Pitch mengukur jarak pengulangan fitur, bukan panjang kanal konduktif. Nama node produsen berbeda bukan penggaris bersama. Perbandingan yang bermakna harus menyebut besaran, metode ukur, dan rangkaian yang dibandingkan, bukan menyamakan label pemasaran dengan satu dimensi fisik.

Bentuknya juga berubah. Pada MOSFET planar, gerbang berada di atas kanal datar. Pada FinFET, sirip sempit menjulang dari permukaan dan gerbang mengendalikan beberapa sisinya. Pada perangkat gate-all-around, gerbang mengelilingi kanal sempit, sering berupa lembaran atau kawat bertumpuk. Mengelilingi kanal memperkuat kendali gerbang terhadap medan listrik drain, yang semakin bermasalah ketika perangkat memendek. Ini perbedaan geometri pengendalian medan, bukan kontak mekanis kecil yang membuka dan menutup. Pameran mempertahankan penampang planar agar lapisan inversi dan ion dopan tetap mudah terlihat; ini bukan gambar geometris node produksi masa kini.

Percobaan dengan kontrol yang tersedia

Gunakan “Tegangan gerbang” sambil mempertahankan “Tegangan cerat” pada 2 V. Mula-mula atur gerbang di bawah 0,7 V, kemudian naikkan melewati ambang. Model berubah dari tanpa kanal konduktif menjadi lapisan inversi. Dekat ambang, bandingkan dua pengaturan dengan overdrive berbeda sebesar faktor 2, tetapi keduanya tetap dalam saturasi. Hukum kuadrat ideal memperkirakan rasio arus 4. Bandingkan panel angka daripada menghitung elektron animasi: jumlah dan kecepatannya dipilih untuk memperlihatkan gerakan muatan, bukan mereproduksi setiap pembawa nyata.

Berikutnya pertahankan gerbang di atas ambang dan turunkan “Tegangan cerat” ke nol. Kanal dapat ada sementara arus drain bersih hilang karena tidak ada tegangan drain-sumber yang mendorongnya. Naikkan tegangan drain perlahan dan bandingkan wilayah resistif bertegangan rendah dengan saturasi. Saturasi bukan berarti kanal kosong atau arus berhenti. Artinya, menaikkan tegangan drain tidak lagi banyak menambah arus dalam model kanal panjang ideal. Jangan samakan penggunaan “saturasi” MOSFET ini dengan istilah pada transistor bipolar sebagai sakelar.

Terakhir, ubah “Masukan inverter” sepanjang rentangnya dan amati keluaran, lalu aktifkan “Sinyal kecil di gerbang” untuk ilustrasi penguat. Inverter memetakan rentang masukan ke tingkat logika berlawanan; penguat memakai titik kerja terpilih dan perubahan kecil di sekitarnya. Penanda bergerak maupun animasi sinyal kecil bukan pengukuran frekuensi jam maksimum prosesor. Pameran tidak memiliki percobaan pewaktuan GHz, meter kapasitansi gerbang, atau kontrol suhu. Hitungan energi dan kebocoran tadi merupakan percobaan di atas kertas yang memperluas model terlihat, bukan kontrol tersembunyi yang harus dicari di layar.