Forskeren forteller: Transistoren 60 år

- Og arven etter Bell er i rivende utvikling.

Det var 16. desember 1947 - for ganske nøyaktig 60 år siden - at en en gruppe ingeniører ved Bell Labs, William Shockley, John Bardeen og Walter Battain, lykkes med å bygge den første bipolare transistoren.

Dette fulgte fra innsatsen under den 2. verdenskrig for å produsere ekstremt rene germaniumdioder, som ble brukt i radarer. Halvledermaterialet germanium fikk ikke stor komersiell utbredelse pga. stor følsomhet for temperatur og fuktighet. Silisium hadde bedre egenskaper og ble etter hvert dominerende.

En av de første nyvinningene som følge av denne oppfinnelsen var transistorradioen. Den første masseproduserte transistorradioen, Regency TR1, som ble produsert av Regency divisjonen av Industrial Development Engineering Associates i Indiana, USA, ble lagt ut for salg i 1954. Den gikk på 22.5V, hadde en pris på $50 ($370 i 2007-dollar) og solgte rundt 150 000 enheter.

"Regency TR-1 - Den første masseproduserte transistorradioen."
"Regency TR-1 - Den første masseproduserte transistorradioen."

Fram til midten av 70-tallet så man at transistoren gradvis erstattet radiorør i de fleste elektriske apparater og gjorde det mulig å utvikle integrerte kretser og datamaskiner.

Moores selv-oppfyllende profeti

I 1965 ble Moores lov lansert av en av Intels grunnleggere, Gordon Moore. Den sier at antall transistorer på et areal dobles hver 24. måned. Den ble fremsatt på grunnlag av de observasjoner Moore hadde gjort på dette tidlige stadium i utviklingen. På den tiden inneholdt en typisk brikke 60 enheter. Til sammenligning kommer prosessorer i dag med flere milliarder transistorer.

Selv om Moores lov opprinnelig ble gjort som en observasjon og spådom på ganske spinkelt grunnlag, ble den etterhvert vidt akseptert og tjente som et mål for hele industrien. Dette drev halvlederprodusenter til å fokusere alt inn på å oppnå den spesifiserte økning i ytelse som den antok at konkurrentene ville oppnå.

På denne måten ble Moores lov en selv-oppfyllende profeti. Med jevne mellomrom spås det at Moores lov har nådd det punktet hvor fysiske lover begrenser gyldigheten, men stadig finner halvleder-fabrikantene nye veier rundt utfordringene. Man antar at Moores lov vil gjelde 10 år til - om ikke lenger.

"Kopi av den første transistoren."
"Kopi av den første transistoren."


 

"Prinsippskisse av den første transistoren"
"Prinsippskisse av den første transistoren"


 

Transistorens virkemåte

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) som har vært industriens favoritt de siste tiårene, kan beskrives med 4 terminaler, gate, bulk, source og drain (se figur). Foruten de 4 kontaktene består den av en isolator og et halvledermateriale. Det elektriske feltet mellom gate og bulk kontrollerer strømmen mellom source og drain, samtidig som isolatoren sørger for at det går minimalt med strøm gjennom denne kontrollterminalen.

Ved “høy” forspenning av gate-bulk-potensialet vil det danne seg mange frie elektroner i halvlederen rett under isolatoren (se grønt felt i figuren). Disse frie elektronene sørger for god ledningsevne mellom source og drain. Ved “lav” forspenning av gate-bulk potensial vil det være få frie elektroner og det går liten strøm. Man kan enkelt si at transistoren enten virker som en spenningsstyrt motstand eller som en svitsj.

"Konvensjonell MOSFET"
"Konvensjonell MOSFET"


 

I digitale kretser, som for eksempel i en datamaskin, brukes transistoren som en svitsj mellom to tilstander, enten av eller på som kan representere en binær 0 eller 1. Med gate/bulk terminalene kan vi enten skru på transistoren slik at det går mye strøm mellom source og drain-terminalene, eller vi kan skru den av slik at det går lite strøm. I analoge kretser, som for eksempel en audioforsterker, kan vi justere strømmen gjennom transistoren dynamisk fra små til middels og store strømsignaler.

Miniatyrisering

Utviklingen innen elektronikken som vi har sett de siste tiårene, skyldes i første rekke en stadig miniatyrisering av transistoren. Nedskaleringen fører ikke bare til at vi kan pakke flere transistorer på mindre plass, men øker også ytelsen, dvs. at tilstanden til transistoren kan endres raskere, og at strømforbruket reduseres.

For at transistoren skal beholde egenskapene må imidlertid alle dimensjoner skaleres i takt. Når for eksempel lengden på gate reduseres, må også tykkelsen på isolatoren reduseres. Samtidig må nivåene til spenningene på terminalene reduseres.

Tykkelsen på isolatorener nå blitt så liten at man begynner å nå en grense. Med dagens teknologi opererer man med en fysisk gate-lengde på 25 nanometer og en isolatortykkelse på ned mot 1,5 nanometer. Dermed tilsvarer tykkelsen på isolatoren bare 5 molekyler.

Dette er ikke bare en formidabel utfordring for de som produserer mikro-chipene, men gir også opphav til uønskede lekkasjestrømmer gjennom gate. Hvis isolatoren blir for tykk mister man gatekontroll, dvs man mister evnen til å opprette en ledende kanal i halvlederen, og får ikke skrudd transistoren på.

Dersom isolatoren på den annen side blir for tynn, opprettholdes god gatekontroll, men på grunn av den kvantemekaniske tunneleffekten får man en uønsket strøm som blant annet bidrar til degradering av signalene og økt effektforbruk.

Framtidas transistor

Isolatortykkelsen er en av hovedutfordringene for videre nedskalering og utvikling innen elektronikkindustrien. Nye isolasjonsmaterialer med bedre elektrostatiske egenskaper enn silisiumdioksid, som har vært det mest utbredte fram til nå, blir allerede benyttet og har gitt den konvensjonelle MOSFETen noen år lengre levetid.

"Dobbelt-gate MOSFET"
"Dobbelt-gate MOSFET"

I nær framtid ser man imidlertid for seg at andre transistorvarianter med bedre skaleringsegenskaper kan ta større deler av markedet.

Tre aktuelle kandidater er dobbel-gate MOSFET, sylindrisk gate MOSFET og FinFET. I førstnevnte er bulk-terminalen erstattet av en annen gate-isolator-kontakt. På denne måten oppnås to strømkanaler per transistor som vist i neste figur. I sylindrisk gate MOSFET er halvlederen formet som en sylinder med source og drain kontakten på endeflatene. Isolator og gate-kontakt omkranser hele halvleder-sylinderen som vist i figuren.

"Sylindrisk gate MOSFET"
"Sylindrisk gate MOSFET"

Den tredre varianten, FinFet, er som navnet indikerer, formet som en finne. Halvlederfinnen er omkranset av isolator og gate-kontakten som vist i figuren. Source og drain kontaktene er her på de loddrette endene av finnen.

"Finfet"
"Finfet"

Felles for alle disse tre er en forbedret gate-kontroll i forhold til den konvensjonelle MOSFET-strukturen. Dette betyr at isolatoren kan være noe tykkere samtidig som vi opprettholder tilfredsstillende gate-kontroll.

Forskningsaktiviteter

Disse mer kompliserte transistor-strukturene stiller helt nye krav til de som produserer mikrochipene, og mange parallelle forskningsaktiviteter er i gang over hele verden for at dette skal lykkes. Noe av dette går på litografiske teknikker for å lage mønstre i nanometer skala, men andre forskningsaktiviteter skjer på nye materialer, innpakking av kretsene, sammenkobling og kretsdesign.

Ved UniK - Universitetsstudiene på Kjeller - har man de siste årene forsket på utvikling av modeller for de tre komponenttypene vist ovenfor. Målet er å kunne beskrive og forutsi den elektriske oppførselen til disse transistorene, som ennå bare er på eksperimetstadiet.

Slike modeller er helt nødvendige både for å lage optimal design og materialsammensetning av selve komponentene, men også for å kunne forutsi med god presisjon hvordan integrerte kretser bygd opp av slik komponenter vil oppføre seg før de settes i produksjon. Forskningen ved UniK er delvis finansiert av Norges forskningsråd og av EU-prosjekter.

Powered by Labrador CMS