Vanligvis har transistoren tre lag eller terminaler med halvledermateriale som kan frakte strøm. Felteffekttransistoren FET har tre terminaler kilde (source), sluk (drain) og port (gate), samt en kropp (body). Strøm (elektroner) går fra kilde til sluk er mulig når porten er åpen, men kan ikke gå når porten er inaktiv og det er ingen kontakt mellom kilde og sluk.
Transistorer blir laget ved fotolitografi (gr. phos - lys; lithos – stein; graphein – skrive, risse) med synlig lys, eller med elektroner som har mye kortere bølgelengde enn lys og det kan derved bli laget flere transistorer på et gitt areal. ), egentlig skrive i stein, dvs. i silisium. Overfører et mønster og kan etse bort resten. Bølgelengden for lyset setter en begrensning for hvor mange transistorer det er plass til på en brikke, men bruker man een elektronstråle blir det plass til fere grunnet den kortere bølgelengden for elektronstrålen, jfr. elelektronmikroskop sammenlignet med med et lysmikroskop.
I gruppe 4 i det periodiske system er karbon ( C ) en isolator , silisium (Si), gemanium (Ge) og tinn (Sn) kan virke som halvledere, mens bly (pB) er et metall som kan lede elektroner. Silisium (Si) har fire valenselektroner og trenger fire bindinger for å fylle valensskallet. Hvert silisiumatom kan derved danne binding med fire naboatomer i en krystall med silisium hvor hvert silisiumatom har åtte elektroner. Denne silisiumkrystallen er dårlig til å lede strøm og virker som en isolator. Imidlertid, silisiumkrystallen kan dopes hvor noen av silisiumatomene byttes ut med for eksempel aluminiumatomer og det blir dannet hull hvor det mangler elektroner og er p-dopet silisium. Doping av silisium med fosfor gir flere elektroner som lett kan flyttes, n-dopet silisium, mens doping med bor (B) gir færre elektroner. Med overskudd av elektroner i kombinasjon med hull med ledig plass gir mulighet til å lede elektrisk strøm.
Gallium-arsenid halvledere (GaAs) har fylte orbitaler i arsen og omtrent tomme orbitaler i gallium. En p-n kobling er et grensesjikt mellom p-type silisium og n-type silisium. En enkelt silisiumkrystall hvor p betyr positiv og har et overskudd av hull, n betyr negativ og har et overskudd av elektroner i ytre skall, omgitt av elektrisk nøytrale molekyler. Dette gjør at den elektriske strømmen bare kan gå i en retning gjennom transistoren. En bipolar koblingstransistor består av to pn-koblinger npn eller pnp. Transistoren har overflater med silisium (Si), germanium (Ge), grafitt/karbon (C) eller silisium-germanium (SiGe).
Dopingen av silisium skjer ved implantering, diffusjon av dopanten eller doping via epitaksi med vekst av krystaller ved å legge på tynne lag.
Dopingen av silisium skjer ved implantering, diffusjon av dopanten eller doping via epitaksi med vekst av krystaller ved å legge på tynne lag.
Anode-p-dopet Si || n-dopet Si-katode
Anode-►|-katode
I en diode med pn-kobling kan strømmen bare gå i en retning. Blokker med transistorhalvledere i integrerte kretser inngår i dioder, solceller, fotodioder Når lys treffer en halvlederkrystall i et solcellepanel og fotodioder lys snedes ut fra og lysemitterende dioder LED).
Halvledere har en struktur med elektronbånd i silisiumkrystaller. Innerst er det fylte elektronbånd, etterfulgt av valensbbånd og et båndgap i overgang til konduksjonsbåndet (ledningsbåndet) og helt ytterst er det ufylte elektronbånd og elektronenergi. Dinglebåndet(vingleåndet) er et energinivå som ligger mellom valensbåndet og konduksjonsbåndet i amorf silisium med grenseflater SiO2-Si metalloksid halvledere hvor elektroner er delokaliserte.
Shockley–Read–Hall teori omhandler felleassistert rekombinasjon hvor elektroner som forflytter mellom transisjonsbånd beveger seg gjennom delokaliserte energitilstander og lager derved et båndgap. Energifordelingen mellom elektroner er angitt via Ferminivået relatere til elektronbåndstrukturen. Energien har måleenhet elektronvolt (eV). Ferminivået angir hvor mye energi som er nødvendig for å fylle på med ett ekstra elektron hvor det allerede befinner seg mange elektroner. Ferminiåvet angir energien til det mest energirike materialet i materialet eller krystallen.
Elektroner kan bli termisk eksitert og forflytte seg fra det øverste fylte valensbåndet til det nederste ledningsbåndet hvor det er ledig plass og nå blir fylt, men etterlater seg et hull i valensbåndet, hvor n angir mengden elektroner i ledningsbåndet og p viser mengden hull i valensbåndet. Disse hullene i valensbåndet med ledig plass gjør det mulig for elektronene å forflytte seg i den n- dopete og p-dopete silisiumkrystallen. I en ren krystall er n=p.
Shockleys diodeligning (lov)r lov er oppkalt etter William Shockley(1910-1989) vedvedBell-laboratorietsom bidro til oppfinnelsen av transistoren og angir en eksponentiell sammenheng mellom strøm og spenning i en halvleder med moderat konstant strøm.
Nvidia Hopper H100 er en grafisk prosess og har 80 milliarder transistorer.Brukt i parallellprosessering i fleredel prosessorer kjøres samtidig. Navn etter den amerikanske admiralen Grace Hopper. Meget anvendelig i AI og kunstig generell AI (AGI) som krever enorm datakapasitet. Hopper H100 er en forbedret versjon av prosessorene Turing og Ampere, også fra Nvidia.
Grafiske prosesseringsenheter (GPU), også kalt grafikkprosessorer er mikroprosessorer velegnet til å behandle grafikk-da og er plassert på egrafikkkort. GPU virker på samme måte som en sentral prosessenheter (CPU. I superdatamaskiner (petaflops datamaskiner) er det mange GPUer som deltar i parallellprosessering styrt av hovedprosessoren. Superdatamaskiner krever my elektrisk strøm og vannkjøling. For eksempel 100 petaflops datamaskiner (pet=1015) kan utføre 1017 flyttallsoperasjoner per sekund.
Sammenlignet med menneskehjernen som driftes av c 20 watt bioenergi per døgn og har er svært stor og rask assosiasjonskapasitet og kreativitet.
Tall som man treffer på innen digital databehandling er tallrekken 2n. For de første n=1-15
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8192 16384 32768 ...
Historie
De amerikanske fysikerne Walter Brittain (1902-1987), John Bardeen (1908-1991) og og William Shockley (1910-1989) som arbeidet ved faststoffgruppen ved Bells lab fikk nobelprisen i fysikk i 1956 «for deres forskning på halvledere og oppdagelsen av transistoreffekten». William Shockley skrev i 1950 boka Electrons and Holes in Semiconductors.
En transistor består av tre terminaler for kobling i en elektrisk krets, danner grunnlaget i all moderne elektronikk. Den mest vanlig brukte transistoren er metalloksidhalvleder felteffekt-transistor (MOSFET), oppfunnet av Mohamed M Atalla (1924-2009) og Dawon Kahng (1931-1992) ved Bell Labs i 1959. Navnet transistor fra tansresistanse ble introdusert av den amerikanske elektronikkingeniøren Hohn R Pierce (1920-2002) som arbeidet med radiokommunikasjon. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) er en av verdens tørste produsenter av halvledere og databrikker. En av de mest avanserte grafiske prosessorene er Nvidias Hopper H100.
Litteratur
Wikipedia