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1 / 8 Um transistor cortado ao meio Este é um MOSFET de canal n, cortado pelo meio e desenhado centenas de milhares de vezes maior que o real. Duas ilhas azuis de silício tipo n, a fonte e o dreno, ficam num substrato tipo p. Com 0 V na porta e 2 V no dreno, o amperímetro marca zero.
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01 Um transistor cortado ao meio Este é um MOSFET de canal n, cortado pelo meio e desenhado centenas de milhares de vezes maior que o real. Duas ilhas azuis de silício tipo n, a fonte e o dreno, ficam num substrato tipo p. Com 0 V na porta e 2 V no dreno, o amperímetro marca zero.
02 Silício com alguns átomos estranhos O silício puro conduz mal porque cada elétron externo está preso numa ligação. Coloque um átomo de fósforo e seu quinto elétron fica livre: isso é silício tipo n. O boro tem só três, então falta um elétron numa ligação. Essa falta, a lacuna, salta de ligação em ligação.
03 A porta afasta as lacunas Com 0,5 V, a porta tem um pouco de carga positiva. Ela não pode tocar o silício, porque há 10 nm de óxido no meio, mas seu campo atravessa o óxido e empurra as lacunas para baixo. Perto da superfície ficam íons fixos de boro com carga negativa: uma região de depleção.
04 Passado o limiar, surge um canal Acima do limiar de 0,7 V, o campo atrai para a superfície elétrons suficientes para torná-la tipo n. Essa camada de inversão fina liga a fonte ao dreno. Com 1,2 V há cerca de 72.000 elétrons no canal e o amperímetro mostra 0,22 mA.
05 Um pouco mais de porta, muito mais corrente No modelo da lei quadrática, a corrente cresce com o quadrado da tensão acima do limiar. Com 2,5 V ela chega a 2,8 mA. O dreno está a só 2 V, então o canal afina em direção ao dreno e se estrangula na ponta; aumentar agora a tensão de dreno muda pouco.
06 Dois transistores fazem uma chave A placa da direita põe um transistor de canal p sobre um de canal n. Com 3,3 V na entrada, o nMOS conduz e puxa a saída para 0 V, e o LED apaga. Abaixe o controle de entrada do inversor e o pMOS assume. Em qualquer das pontas um transistor está desligado, por isso quase não passa corrente.
07 Uma oscilação pequena vira grande Agora a porta oscila 50 mV para cada lado de 1,2 V. A corrente acompanha a 0,86 mA por volt de oscilação da porta. Passando por um resistor de 10 kΩ, essa variação de corrente move a saída 8,6 vezes mais que a entrada. Isso é amplificação.
08 De um a dezesseis bilhões O chip na frente representa o M1 da Apple, que segundo a Apple tem 16 bilhões de transistores; contando um por segundo, levaria 507 anos. Ao lado está uma réplica do primeiro transistor, o dispositivo de contato pontual que Bardeen e Brattain fizeram funcionar na Bell Labs em dezembro de 1947.
Substrato tipo p O corpo de silício, dopado com boro a cerca de 10¹⁷ átomos por cm³, um para cada 500.000 átomos de silício. Suas cargas livres são lacunas (anéis vermelhos). Fonte (n+) Uma ilha fortemente dopada com fósforo, cerca de um átomo em 500. Está cheia de elétrons livres (pontos azuis) e fornece os elétrons que atravessam o canal. Dreno (n+) Uma ilha igual à fonte. Com uma tensão positiva nela, os elétrons que chegam pelo canal saem pelo contato do dreno. Óxido de porta Dióxido de silício com 10 nm de espessura no modelo. Ele isola a porta, que age sobre o silício apenas pelo campo elétrico e não puxa corrente contínua. Porta O eletrodo de controle sobre o óxido. Sua tensão decide se existe um canal. Os sinais de mais claros mostram sua carga positiva. Camada de inversão (canal) Uma lâmina fina de elétrons atraída para a superfície quando a porta passa do limiar de 0,7 V. Sua espessura segue o perfil de carga da lei quadrática, por isso afina em direção ao dreno. Região de depleção A camada sob a porta de onde as lacunas foram empurradas, deixando íons fixos de boro com carga negativa (traços azul-escuros). Ela se aprofunda até o limiar e depois para de crescer. Contatos e circuito externo Plugues de tungstênio e pads de alumínio ligam a fonte e o dreno a uma fonte de tensão e a um amperímetro. A porta tem seu próprio plugue atrás, com o botão vermelho. Rede de silício dopado Os átomos de silício compartilham elétrons aos pares. O fósforo (P) traz um elétron a mais, o boro (B) um a menos, e o que falta é uma lacuna. Inversor CMOS Um transistor de canal p sobre um de canal n, com as portas ligadas. A saída é o oposto da entrada. A telinha desenha a saída em função da entrada. Encapsulamento do chip Uma pastilha de processador sobre seu encapsulamento. O M1 da Apple tem 16 bilhões de transistores. O Intel 4004, de 1971, tinha 2300. Transistor de contato pontual, 1947 Réplica do dispositivo da Bell Labs: dois contatos de ouro bem próximos, presos por uma cunha de plástico e apoiados numa pequena placa de germânio.
