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
polovodiče typu P a N před přiložením (zdroj: UMEL, FEKT VUT)

Samotné příměsové polovodiče typu P nebo N mají sice zajímavé vlastnosti, ke zprovoznění procesoru či jiného integrovaného obvodu je však potřeba tyto polovodiče skládat k sobě a vytvářet z nich tzv. přechody. Základním typem přechodu je PN (polovodič typu P přiložený k polovodiči typu N). S touto součástkou se v běžném světě setkáváme na každém rohu — jde totiž o diodu (ať už světlo emitující LED, nebo klasickou).

Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
polovodiče typu P a N po přiložení a vznik ochuzené vrstvy (zdroj: UMEL, FEKT VUT)

Před vzájemným přiložením má při běžné pokojové teplotě polovodič typu P kladně nabité volné díry a polovodič typu N záporně nabité volné elektrony. Jakmile k sobě polovodiče přiložíme, začnou se volné díry a elektrony přitahovat, letí směrem k přechodu a zde rekombinují (elektron zapadne do díry a volné nosiče náboje zaniknou). Tímto v oblasti přechodu velmi rychle zaniknou všechny volné nosiče náboje a vznikne tzv. ochuzená oblast. Její šířka je závislá na koncentraci příměsí v polovodičích. Čím je koncentrace vyšší, tím je ochuzená vrstva užší a naopak.

Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
VA charakteristika diody, všimněte si její závislosti na materiálu (zdroj: ČVUT)

Zatímco volné nosiče náboje v zakázané oblasti nejsou, vzniká zde poměrně silné elektrické pole. Pokud začneme na diodu přikládat napětí v propustném směru (na polovodič typu P přiložíme vyšší napětí než na polovodič typu N), začne se ochuzená oblast zužovat, až (při napětí 0,65 V u křemíkové diody) úplně zanikne. S dalším rostoucím napětím diodou rychle začne růst obrovský proud. To dobře ukazuje VA charakteristika v propustném směru. Až do otevření (úplného zmizení ochuzené oblasti) diodou neteče žádný proud a poté začne rychle narůstat.

Při přiložení napětí v závěrném směru (na polovodiči typu N je vyšší napětí než na typu P) dochází k opačnému jevu. S rostoucím napětím se ochuzená oblast rozšiřuje, roste intenzita elektrického pole uvnitř ochuzené vrstvy a diodou teče jen velmi malý závěrný proud. Pokud však stále zvyšujeme závěrné napětí, začne být od určitého momentu síla volných nosičů náboje čekajících na okraji ochuzené vrstvy tak velká, že ochuzenou vrstvu prorazí a proletí proti směru elektrického pole. Mluvíme o průrazu diody. S dalším zvyšujícím se závěrným napětím proud diodou prudce roste.

Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů
struktura skutečné diody na waferu (zdroj: UMEL, FEKT VUT)



 
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.