transistor

1 Principskitse af en bipolær transistor af typen pnp. Den fremstilles ved at danne et n-type område i p-type-substratet ved dotering. Derefter dannes et p+-område (et kraftigt doteret p-område) i n-området. Kontakterne forbindes til hhv. substratet og to afdækninger i det isolerende SiO2-lag. Nedenunder ses en tilsvarende idealiseret endimensional struktur af en bipolær pnp-transistor med strømme (I) og spændinger (V) indtegnet; nederst ses kredsløbssymboler for pnp- og npn-bipolære transistorer. 2 Principskitse af en n-type MOSFET med tilhørende kredsløbssymbol. Gaten består af en sandwich af metal-oxid-halvleder (eng. Metal Oxide Semiconductor), hvilket har givet navn til komponenten. Strømmen mellem drain (svarende til kollektor) og source (svarende til emitter) styres af spændingen over gaten (svarende til basis). Gatelængden L er indtegnet. 3 Principskitse af en MESFET med tilhørende kredsløbssymbol. Gaten består her af en metal-halvleder-sandwich (Metal Semiconductor). Nederst strøm-spændingskarakteristik for en typisk n-type MESFET.

.
Licens: Begrænset anvendelse

Transistor, (eng., af transfer 'overførsel' og resistor '(elektrisk) modstand'), elektronisk halvlederkomponent, der bl.a. bruges som forstærker i analoge kredse og som inverter i digitale integrerede kredse. Endvidere anvendes diskrete transistorer i specielle tilfælde, fx hvor der skal leveres store effekter. Transistorer fremstilles langt overvejende i silicium, men tillige i halvlederlegeringer som fx GaAs (galliumarsenid) og InP (indiumfosfid). Historisk set kan transistoren betragtes som radiorørets afløser. Den er den vigtigste komponent i integrerede kredse, som er grundlaget for elektronikkens og informationsteknologiens store udbredelse.

Der findes to generelle typer transistorer: Bipolære transistorer, som udnytter transport af både elektroner og huller, og felteffekttransistorer, som er baseret på enten elektroner eller huller.

Den bipolære transistor

Den bipolære transistor blev opfundet ved Bell Laboratories i USA i 1947 af J. Bardeen, W. Brattain og W. Schockley. De første transistorer var af en såkaldt punkt-kontakt-type, men i 1952 opfandt Schockley en mere stabil og bedre transistor baseret på interne pn-overgange. En npn-transistor består af en n-type emitter, en p-type basis og en n-type kollektor. Emitteren injicerer elektroner hen over emitter-basis-overgangen og ind i basen, hvor de diffunderer eller driver over til basis-kollektor pn-overgangen for der at blive trukket ind i kollektoren. Elektronstrømmen fra emitter til kollektor kan styres af en lille basisstrøm eller -spænding, hvilket åbner mulighed for at bygge forstærkere og invertere.

Der anvendes også komplementære pnp-transistorer, hvor strømmen overvejende bæres af huller. Allerede i 1954 foreslog Schockley, at strømforstærkningen, defineret som forholdet mellem den udgående kollektorstrøm og den indgående basisstrøm, kan øges væsentligt, hvis der i emitteren anvendes en halvleder med større båndgap end i basen og kollektoren, idet den nødvendige basisstrøm herved formindskes. En sådan transistor kaldes HBT (Heterojunction Bipolar Transistor). Først i 1970'erne fik man imidlertid halvlederteknologi til at fremstille HBTer. Der anvendes fx GaAlAs (gallium-aluminiumarsenid) eller Si (silicium) i emitteren og GaAs eller SiGe (silicium-germanium) i resten af transistoren.

I integreret form optræder transistorer i en lang række forskellige kredsløbstopologier. Til meget hurtige analoge eller digitale kredse anvendes ECL (Emitter Coupled Logic), fx bruges ECL-HBTer til de meget høje frekvenser på over 10-40 GHz eller datahastigheder over 10 Gbit/s. De hurtigste HBT-kredse kan i dag fungere op til ca. 80 Gbit/s på eksperimentel basis.

Felteffekttransistorer

Felteffekttransistorer blev foreslået af den tysk-amerikanske fysiker Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) i 1925, men det var først i 1952, at en teori for deres virkemåde blev opstillet af Schockley. Si-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) er i dag den mest udbredte transistor; den indgår i CMOS, som bruges i langt de fleste integrerede kredse, fx i pc'er, radioer, tv-modtagere, mobiltelefoner, elektroniske ure og lommeregnere.

En n-type MOSFET virker på den måde, at elektroner udsendes fra source-terminalen, løber gennem n-kanalen og opsamles af drain-terminalen. Elektronstrømmen kan styres vha. en lille spænding på den mellemliggende gate-terminal. Det giver mulighed for at fremstille forstærkere og invertere, og dermed har man byggestenene til de mest almindeligt forekommende integrerede kredse. CMOS er endnu begrænset i datahastighed til omkring 5-10 Gbit/s, men store fremskridt kan forventes.

Til mikrobølgeanvendelser, fx satellit-tv-modtagere, bruges GaAs-MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor), og til forstærkere ved meget høje frekevenser på op til ca. 60 GHz og med meget lav støj kan også bruges GaAs/GaAlAs-HEMT (High Electron Mobility Transistor). Her løber elektronerne i et GaAs-lag, som er så tyndt, at deres bevægelse i den ene tværretning er kvantemekanisk begrænset; det medfører, at de løber hurtigere i længderetningen fra source til drain, således at transistoren bliver hurtigere.

Fremtidig udvikling

CMOS og nanoskala-CMOS

Siden ca. 1970 har udviklingen af Si-CMOS integrerede kredse fulgt den såkaldte Moores lov: For hvert 11/2 år er der opnået en fordobling i antal transistorer pr. integreret kreds ved at formindske transistorerne. Moores lov, der i lidt anderledes form blev fremsat 1965 af Intels medstifter Gordon Moore (1929-2023), forventes også at blive fulgt indtil ca. 2010-15, hvor gatelængder og bredder af forbindelseslinjer antages at nå ned på ca. 30-50 nm, hvor fundamentale fysiske fænomener sætter grænsen. Der vil blive udviklet CMOS-transistorer med en afskæringsfrekvens for strømforstærkningen på 200 GHz, hvortil svarer en klokfrekvens af størrelsesordenen 10 GHz i en CPU.

III-V-halvlederlegeringer

HEMT-transistorer opbygget af InGaAs/InAlAsSb kan i år 2000 fremstilles på forskningsplan med afskæringsfrekvens på over 200 GHz for en gatelængde på 120 nm. InP/InGaAs-HBT med basislagtykkelse på 30 nm har også vist afskæringsfrekvenser på ca. 200 GHz. Disse meget høje afskæringsfrekvenser vil blive forøget, i takt med at transistorerne formindskes yderligere. Resonans-tunneldioder (RTD) og -transistorer (RTT) fremstilles også i III-V-halvledere. De indeholder en kvantebrønd, som elektronerne kan løbe igennem, når dioden eller transistoren påtrykkes en elektrisk spænding af rette størrelse. Der er demonstreret RTD-oscillatorer med en grundfrekvens på 700 GHz. RTDer kan også bruges til at fremstille digitale logiske komponenter. Integrerede kredse baseret på en kombination af RTD og felteffekttransistorer er teoretisk forudsagt at kunne fungere ved datahastigheder, som er flere gange hurtigere end for rene FET eller Si-CMOS integrerede kredse.

Single-elektrontransistorer

Single-elektrontransistorer er baseret på kontrollerbar overførsel af en enkelt elektron mellem små, ledende områder ("øer") med en udstrækning på ca. 1 nm i et materiale. Der er tale om langsigtet forskning, som kan føre til anvendelser som elektroniske standarder i metrologi og måske højkapacitets RAM samt endnu større datalagre og, meget uvist, egentlig digital elektronik i form af fx NOR-porte, NAND-porte, EXCLUSIVE-OR-porte, vipper, skifteregistre, A/D-convertere og processorer.

Molekylskala-elektronik

Molekylskala-elektronik tilhører også den langsigtede forskning. Visionen er at skabe elektroniske komponenter baseret på elektrontransport i lange molekyler med en komponenttæthed, som overgår hidtil kendt elektronik med mange størrelsesordener. En molekylær RTD blev demonstreret i 1997.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig

Fagansvarlig for Halvlederteknologi

Morten Willatzen
Senior Professor, PhD, Det Kinesiske Videnskabsakademi