Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů | Kapitola 5
Seznam kapitol
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.
unipolární tranzistory JFET (vlevo) a MOSFET (vpravo) s kanálem typu N (zdroj: mpoweruk.com)
Kromě bipolárních tranzistorů existují ještě tranzistory unipolární. Proti bipolárním tranzistorům se liší hned v několika aspektech. Zatímco bipolární tranzistory fungují coby zdroje proudu řízené proudem, unipolární fungují jako zdroje proudu řízené napětím. S tím souvisí jejich nižší ztrátový výkon (a tím pádem i zbytkové teplo), díky čemuž se unipolární tranzistory častěji používají v digitální elektronice (v analogové se používají jak bipolární, tak unipolární tranzistory). V neposlední řadě se u unipolárních tranzistorů používá rozdílné značení kontaktů. Místo báze se užívá označení hradlo nebo také gate (G), emitor je source (S) a kolektor drain (D). Hradlo je vždy izolované vrstvou dielektrika (například oxidy křemíku nebo oxidy hafnia) tak, aby jím tekl co možná nejmenší proud.
V praxi existují dva různé druhy unipolárních tranzistorů — JFET a MOSFET (někdy též IGFET). Oba druhy tranzistorů mohou být opět buď typu P nebo N dle typu polovodiče použitého pro kanál. Princip funkce je v obou případech podobný, v dalším textu proto vysvětlím pouze princip funkce tranzistorů JFET a MOSFET s kanálem typu N.
tranzistor JFET bez přiloženého napětí na hradle (vlevo) a s přiloženým napětím (vpravo); (zdroj: wiki)
Princip funkce tranzistoru JFET spočívá v proudu, který teče mezi kontakty drain-source a je řízen napětím na hradle G. V našem případě se jedná o JFET s kanálem typu N. Pokud na hradle není přiloženo žádné napětí, může kanálem téct volně proud. Pokud však na hradlo přiložíme napětí tak, aby byl přechod PN polarizovaný v závěrném směru, začne se kanálem okolo hradla typu P rozšiřovat ochuzená oblast (viz popis diody). Tato oblast vytváří elektrické pole kolmé na směr toku elektronů mezi drainem a sourcem a stěžuje tok elektronů kanálem. Pokud na hradlo přiložíme dostatečně velké napětí, ochuzené oblasti rozšiřující se z obou stran kanálu se protnou a zamezí elektronům průchod kanálem.
struktura tranzistoru MOSFET s indukovaným (nahoře) a trvalým (dole) kanálem na waferu (zdroj: UMEL, FEKT VUT)
Tranzistory MOSFET pracují podobně jako JFET na principu modifikace šířky kanálu mezi drainem a sourcem pomocí napětí, které je přiloženo na hradlo. Rozdíl je však v tom, že zatímco u tranzistoru JFET kanál pomocí napětí přiškrcujeme a tranzistor tím zavíráme, u tranzistoru MOSFET je tomu naopak.
V případě tranzistoru MOSFET bez vodivého kanálu neteče mezi drainem a sourcem při nulovém napětí na hradle žádný proud. Pokud na hradlo přiložíme kladné napětí, jsou díry v substrátu odpuzovány a pod hradlem se vytvoří ochuzená vrstva (žlutě naznačená okolo source a drain). Ta je tím větší, čím větší je napětí na hradle. Od určitého momentu je však napětí na hradle a intenzita elektrické pole odpuzující díry tak velká, že v ochuzené oblasti začnou převládat minoritní elektrony nad nad původně majoritními děrami, vznikne tzv. inverzní vrstva s vodivostí typu N a dojde ke vzniku kanálu. Tím pak může mezi drainem a sourcem téct proud.
V případě tranzistoru s trvalým kanálem je princip funkce stejný. Kanál je však vodivý i při nulovém napětí na hradle a přiloženým napětím se jen zvětšuje. Teoreticky je možné jej zaškrtit přiložením napětí opačné polarity.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
