Hlavní stránka Hardware Procesory, paměti Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
autor: Tomáš Šulc , publikováno 17.3.2015
Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů

Výroba integrovaného obvodu, jakým jsou například procesory nebo jádra grafických karet, vyžaduje stovky složitých operací a zabere mnoho času. Navážeme na článek, v němž jsme se věnovali výrobě waferu a vysvětlíme si, jak fungují a jak se vyrábějí tranzistory — základní stavební kámen integrovaného obvodu.


Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
základní vlastnosti křemíku

Abychom dokázali pochopit struktury a postupy, kterými se vyrábějí integrované obvody, je nutné alespoň v základu zopakovat princip toho, jak fungují materiály v integrovaných obvodech a součástky na nich založené.

Základním stavebním materiálem integrovaných obvodů jsou polovodiče, dnes nejčastěji křemík. Jde o čtyřvazný prvek, který krystalizuje v kubické, plošně centrované mřížce. Jakožto polovodič není jeho vodivost přesně daná a silně závisí na teplotě. Při teplotě absolutní nuly (-273,15 °C) nemá křemík žádné volné nosiče náboje. Chová se proto jako izolant a jeho vodivost je nulová. Se zvyšující se teplotou se některé jeho vázané elektrony uvolní, přejdou do vodivostního pásu a začnou se chovat jako volné nosiče náboje.

Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů

Vodivost křemíku (i ostatních polovodičů) je možné řídit tím, že do materiálu dodáme přesně kontrolované množství příměsi. Do čtyřmocného (každý atom má čtyři vazby) křemíku se dávají buď třímocné (bor, indium) nebo pětimocné (fosfor, arzén, antimon) příměsi.

V případě pětimocné příměsi mají její atomy jednu vazbu navíc. Ta je velmi slabě vázaná a elektron na jejím konci proto velmi snadno přejde z valenčního do vodivostního pásu, kde se stává volným nosičem náboje. Mluvíme o elektronové vodivosti a polovodiči typu N (negativní vodivost, protože elektron má negativní náboj). O elektronu je též možné mluvit jako o donoru (darovaný nosič náboje).

V případě třímocné příměsi je to pak přesně naopak — atomu bóru chybí jedna vazba, která u okolního čtyřmocného křemíku zůstane volná (zůstane tam „díra“). Ta se opět chová jako volný nosič náboje a mluvíme o děrové vodivosti a polovodiči typu P (pozitivní vodivost, protože díra má pozitivní náboj). O díře je možné mluvit jako o akceptoru (přijímá elektrony).

Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
závislost volných nosičů náboje na teplotě ve vlastním (zelená tečkovaná) a nevlastním (plná čára) polovodiči (zdroj: UMEL, FEKT VUT)

Výše zmiňovaná závislost počtu volných nosičů náboje a tím i vodivosti na teplotě je klíčová vlastnost polovodičů a je nutné si o ní alespoň v krátkosti něco říci. Proces vzniku volných nosičů náboje se nazývá ionizace. Nejprve se zaměřme na čistý polovodič bez jakýchkoliv příměsí. Počet jeho volných nosičů náboje v závislosti na teplotě je znázorněn zelenou tečkovanou čárou. Je patrné, že až do teploty 500 K (přes 200 °C) je počet volných nosičů náboje velmi nízký a následně začne strmě růst. To pro náš svět a domácnosti, ve kterých se teplota vzduchu pohybuje okolo 20 °C, není příliš vhodné.

U příměsových polovodičů typu P a N je situace jiná. Při teplotě absolutní nuly je počet volných nosičů náboje nulový, podobně jako u čistého polovodiče. Už při teplotě okolo -250 °C však dochází k ionizaci příměsí (elektronů či děr v závislosti na typu polovodiče) a počet volných nosičů náboje strmě roste. Při teplotě kolem -150 °C je už ionizována veškerá příměs a mluvíme o 1. ionizační teplotě. Následně se v intervalu -150 až +200 °C počet volných nosičů náboje téměř nemění. Následně od tzv. 2. ionizační teploty začíná docházet k ionizaci vlastní příměsi. Teplotní rozpětí -150 až +200 °C mezi mezi 1. a 2. ionizační teplotou je pak ideální pro použití v integrovaných obvodech.

Více jsem o polovodičích a jejich vlastnostech psal v kapitolách 2 a 3 prvního dílu seriálu.



 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
173 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 84.1Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.