Tranzistorul și circuitele integrate

Un tranzistor este o componentă semiconductoare care controlează curentul dintr-un circuit. Montat într-un fel, funcționează ca un comutator electronic, iar montat în alt fel, ca un amplificator. La amplificare, energia semnalului de ieșire vine de la sursa de alimentare, nu este creată de tranzistor.

La tranzistorul cu efect de câmp, curentul trece printr-un canal de semiconductor între două terminale, sursa și drena, iar al treilea terminal, poarta, îl comandă. Poarta este izolată electric de canal, deci nu o străbate un curent de comandă: contează tensiunea dintre poartă și sursă, care creează un câmp electric în canal. Cu o tensiune mică pe poartă se poate porni sau opri un curent mult mai mare și se poate obține o copie mărită a unui semnal electric slab.

Un circuit integrat reunește pe același cip de siliciu un număr foarte mare de tranzistoare, împreună cu diode, rezistoare și condensatoare, legate prin piste metalice. Legăturile dintre componente realizează funcții precum calculul, stocarea informației și prelucrarea semnalelor. Numărul de tranzistoare singur nu descrie funcția circuitului; contează modul în care ele sunt legate.

Tranzistorul cu efect de câmp de tip MOSFET. Cel mai folosit tip are structura metal–oxid–semiconductor. Într-un cristal de siliciu dopat $p$ se creează două regiuni puternic dopate $n$, sursa și drena. Între ele se află regiunea canalului, acoperită de un strat subțire de oxid de siliciu izolator, iar peste oxid este electrodul metalic al porții. Fără tensiune pe poartă, între sursă și drenă se află două joncțiuni pn în opoziție: când drena este pozitivă față de sursă, una este polarizată invers și curentul nu trece, deci tranzistorul este blocat. Dacă poarta devine pozitivă față de sursă, câmpul electric prin oxid respinge golurile și atrage electroni la suprafață. Peste o tensiune de prag se formează un canal subțire de tip $n$, care leagă sursa de drenă, și apare curentul de drenă; cu cât tensiunea porții depășește mai mult pragul, cu atât curentul este mai mare. Canalul $p$ funcționează la fel, cu polaritățile inversate.

Aplicații: comandă și amplificare. Ca întrerupător comandat, tranzistorul are două stări: cu tensiunea porții sub prag, canalul lipsește și circuitul este deschis; peste prag, canalul are rezistență mică și circuitul este închis. Consumatorul (un LED, un motor, bobina unui releu) se leagă în serie între alimentare și drenă, iar o tensiune mică, dată de un microcontroler, comandă un curent mult mai mare. Ca amplificator, tranzistorul lucrează cu canalul parțial deschis: o variație mică a tensiunii porții produce o variație mare a curentului de drenă, deci și a căderii de tensiune pe un rezistor legat în serie cu drena. Semnalul de ieșire este o copie mărită a celui de intrare, în opoziție de fază cu acesta, deoarece o creștere a curentului scade tensiunea dintre drenă și sursă.

Poarta logică CMOS. Un tranzistor cu canal $n$ și unul cu canal $p$, legate complementar, formează un inversor. La intrare mică (nivelul logic 0) conduce tranzistorul $p$, iar ieșirea este legată la alimentare (nivelul 1); la intrare mare conduce tranzistorul $n$, iar ieșirea este legată la masă. În fiecare stare stabilă unul dintre cele două este blocat, deci între alimentare și masă nu trece un curent important; consumul crește numai la comutare, ceea ce face porțile CMOS potrivite pentru procesoare.

Tranzistorul bipolar. Are trei regiuni alternate, $n$–$p$–$n$ sau $p$–$n$–$p$, și terminalele emitor, bază și colector. Spre deosebire de tranzistorul cu efect de câmp, comanda se face printr-un curent: un curent mic prin baza foarte subțire comandă un curent mult mai mare între colector și emitor. Din conservarea sarcinii, $I_E=I_C+I_B$.

Circuitele integrate: tehnologie și aplicații. Fabricarea pornește de la o plachetă de siliciu monocristalin foarte pur. Se crește un strat de oxid, se acoperă cu un material sensibil la lumină, se expune la lumină ultravioletă printr-o mască (fotolitografie), iar regiunile descoperite se dopează prin difuzie sau implantare de ioni; etapele se repetă, apoi se depun piste metalice care leagă componentele. Pe aceeași plachetă se realizează simultan multe cipuri, care apoi se taie și se încapsulează. Circuitele integrate lucrează în procesoare, memorii, amplificatoare, senzori de imagine și în electronica automobilelor și a aparatelor medicale.

Exemplu rezolvat 1 — tranzistorul ca întrerupător. O ieșire de $3,3\mathrm{V}$ a unui microcontroler comandă poarta unui MOSFET cu tensiune de prag mică, care închide circuitul unui LED. LED-ul se alimentează la $5\mathrm{V}$, are o cădere de tensiune de $2,0\mathrm{V}$ și trebuie străbătut de un curent de $15\mathrm{mA}$. Tranzistorul deschis se consideră un întrerupător ideal.

1. Tensiunea porții depășește pragul, deci canalul conduce, iar LED-ul și rezistorul de limitare $R$ sunt în serie la $5\mathrm{V}$.
2. Pe rezistor cade restul tensiunii: $U_R=5-2,0=3,0\mathrm{V}$.
3. Rezistența necesară este $R=U_R/I=3,0/(15\cdot 10^{-3})=200\Omega$.

Dacă poarta este pusă la $0\mathrm{V}$, canalul dispare, curentul devine practic nul și LED-ul se stinge.

Exemplu rezolvat 2 — scara unui circuit integrat. Un procesor cu $10^{10}$ tranzistoare are cipul cu aria $100\mathrm{m}{\mathrm{m}}^2$. Estimăm aria medie ocupată de un tranzistor, cu tot cu legăturile lui.

1. Aria cipului este $100\mathrm{m}{\mathrm{m}}^2=100\cdot 10^{-6}{\mathrm{m}}^2=10^{-4}{\mathrm{m}}^2$.
2. Pe un tranzistor revine $10^{-4}/10^{10}=10^{-14}{\mathrm{m}}^2$.
3. Latura unui pătrat cu această arie este $\sqrt{10^{-14}}=10^{-7}\mathrm{m}=100\mathrm{nm}$.

Valoarea este o medie care include și pistele de legătură. Pe grosimea unui fir de păr, de circa $70\mu \mathrm{m}$, ar încăpea $7\cdot 10^{-5}/10^{-7}=700$ de astfel de pătrate; la această scară componentele se realizează simultan, prin fotolitografie.

Greșeli frecvente

• Greșit: a crede că tranzistorul amplifică energia fără o sursă de alimentare.
  Corect: energia semnalului amplificat vine de la sursa de alimentare.
• Greșit: a crede că prin poarta unui tranzistor cu efect de câmp trece un curent de comandă, ca prin baza unui tranzistor bipolar.
  Corect: poarta este izolată de canal printr-un strat de oxid și comandă canalul prin câmpul electric creat de tensiune.
• Greșit: a considera că numărul de tranzistoare de pe un cip spune singur ce face circuitul.
  Corect: funcția depinde de modul în care tranzistoarele și celelalte componente sunt legate.
• Greșit: a calcula curentul de emitor ca $I_E=I_C-I_B$.
  Corect: $I_E=I_C+I_B$, deoarece emitorul furnizează atât curentul de colector, cât și pe cel de bază.

Înainte și după