Транзисторы (transistors)

Термин транзистор (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление) означает трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим. Действие транзистора можно сравнить с действием плотины, которая, перегораживая реку (постоянный источник), создает перепад уровней воды (Рис.1). Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды огромной мощности, т.е. энергией мощного постоянного источника.

Первый действующий транзистор был создан группой ученых лаборатории Bell Labs (У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн) в 1947 и официально представлен ими 23 декабря того же года. С тех пор именно этот день считается днем открытия транзистора, но лишь в 1956 году его разработчикам была присуждена Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Дж. Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости. Следует отметить, что параллельно с США к созданию транзисторов в то время вплотную приблизились очень многие страны, поэтому с полной уверенностью можно говорить, что «транзистор - дитя многих родителей».

В структуре любого транзистора есть три вывода – это база (затвор), эмиттер и коллектор (Рис.2). Управление током в выходной цепи осуществляется либо за счет изменения входного тока, либо входного напряжения. При этом даже небольшое варьирование входных величин может приводить к существенному изменению выходного напряжения и тока. Принцип работы транзистора во многом похож на принцип действия такого известного всем устройства, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед его узким отверстием, направив широкое в сторону другого человека, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Вот так и в случае транзистора – если пропустить через участок “база – эмиттер” слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз, а усиленный ток потечет через участок “коллектор – эмиттер”. Это явление связанно с тем, что внешние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей заряда в полупроводнике и оказывать существенное влияние на его электропроводность.

Усиливающая способность транзисторов используется в аналоговой технике, например, в аналоговом телевидении и радио. Другим важнейшим применением является цифровая техника (память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т.п.) – транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров. В настоящий момент вся современная цифровая техника основана на так называемых МОПТ – транзисторах, изготовленных на основе металл – оксид - полупроводниковых слоев. При этом транзистор может работать как единичный (дискретный) прибор, так и являться элементом интегральной схемы (Рис.2). Последние изготавливаются в рамках планарной интегральной технологии на одном кремниевом кристалле, который называется чипом, и составляют элементарный "кирпичик" для построения памяти, процессора и т.п. На одном чипе, обычно размером 1-2 см², размещаются десятки миллионов МОПТ, размеры каждого из которых не превышают 45-60 нанометров (это размер базовой части транзистора). На протяжении последних десятков лет происходит стремительная миниатюризация МОПТ (т.е. уменьшение их размеров) и увеличение степени их интеграции (т.е. количества на одном чипе), причем в ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции вплоть до миллиарда транзисторов на одном чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров за счет увеличения их тактовой частоты. Уже сейчас компанией Intel созданы тестовые образцы 32-нанометровых микросхем, промышленное внедрение которых намечено на 2009 год.

Постоянно убыстряющийся темп современный жизни требует создания новых приборов – более быстродействующих, более мощных и более компактных. Однако полупроводниковая кремневая электроника фактически подошла к пределу своих возможностей, связанному с фундаментальными физическими ограничениями, не позволяющими в дальнейшем на её основе создать все более производительные и миниатюрные устройства. Традиционный затвор с диэлектриком из двуокиси кремния (SiO₂) имеет толщину всего в несколько атомных слоев (~ 1,2 нм). Дальнейшее уменьшение его толщины приводит к значительным утечкам за счет туннельного тока (проявление квантовых эффектов) и, как следствие, к увеличению потребления энергии и тепловыделения транзистора.

Поэтому качественным выходом из сложившегося «тупика» может быть только переход к электронным приборам и схемам, построенным на совершенно иных принципах. Уже сегодня разработка новых функциональных наноматериалов позволяет шагнуть далеко за пределы традиционной полупроводниковой технологии изготовления транзисторов. Так, например, созданы транзисторы на основе прозрачных полупроводников (оксид цинка) для использования в матрицах дисплеев. Перспективным материалом, который позволит разрабатывать «гибкие дисплеи», являются полупроводниковые полимеры. Большие надежды будущего наноэлектроники возлагают на использование в качестве основного элемента транзистора полупроводниковых нанопроволок, поскольку современные технологии приготовления нанопроволок уже допускают их интеграцию со стандартной кремниевой технологией. Главным конкурентом таких полупроводниковых структур являются углеродные нанотрубки, обладающие уникальными электронными свойствами (Рис.3). Однако нанотрубки страдают одним, но очень большим недостатком – в зависимости от диаметра и хиральности они могут обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами, а контролируемый синтез трубок одного типа все еще остается достаточно трудной технологической задачей. Следует отметить, что помимо разновидностей полупроводниковых транзисторов ведутся разработки объектов совершенно иной категории – «одноэлектронных транзисторов», работающих на одной единственной молекуле, а также «оптических транзисторов», как основного элемента для фотоники, в которых в качестве передающего звена выступают не электроны, а фотоны.

Литература

1. Айсберг Е. Транзистор?.. Это очень просто! Пер. с французского. М.-Л. «Энергия», (Массовая радиобиблиотека. Вып. 480) 1963.

2. Эймишен Ж.-П. Электроника?.. Нет ничего Проще! Пер. с французского. М. «Энергия», (Массовая радиобиблиотека. Вып. 733) 1970.

Источник: http://nanometer.ru