Chips en transistoren

De uitvinding van de transistor -de basisbouwsteen voor elektronica- heeft een revolutie teweeg gebracht die nog steeds niet ten einde is. Onze informatie- en communicatiemaatschappij is gebouwd rondom deze vinding. Sinds begin jaren '50 is men in staat gebleken een steeds verdergaande verkleining van elektronische circuits te verwezenlijken. Dit artikel behandelt de geschiedenis van de chip en een toelichting op de begrippen semiconductor, CMOS, en de wet van Moore.

Geschiedenis van de chip

In 1958 bouwde Jack Kilbey de 1e flip-flop met 2 transistoren voor het bedrijf Texas Instruments. In 2003 bevatte de Intel Pentium 4 microprocessor 55 miljoen transistoren, en een 512-Mbit dynamisch random access geheugen (DRAM) meer dan een half miljard. Dit correspondeert met een jaarlijks groei-percentage van 53% over een totaal van 45 jaar. Geen enkel andere technologie heeft in de geschiedenis een zo grote groei vertoond voor zo'n lange tijd.

Deze onvoorstelbare groei werd mogelijk door steeds verdergaande miniaturisatie en verbeteringen in het productie-proces. Voor de meeste werkgebieden in de engineering geldt dat er een afweging gemaakt moet worden tussen performance, vermogensverbruik, en de prijs. Voor transistoren geldt echter dat zodra ze kleiner worden, ze sneller worden, minder stroom verbruiken, en goedkoper zijn in de productie. Deze synergie heeft tot een revolutie in de elektronica en zelfs in de samenleving geleid.

Transistor

Gedurende de 1e helft van de 20e eeuw bestonden elektronsiche circuits uit grote, veel stroom-verbruikende, onbetrouwbare vacuum buizen. In 1947 werd de eerste punt-contact transistor gemaakt door Bell Laboratories. De naam is een samenvoeging van transfer en resistor. Het gedrag van een transistor kan worden omschreven als het elektronsiche equivalent van vacuum buizen versterker.

Tien jaar later zag Jack Kilbey de enorme potentie als meerdere transistoren op een en hetzelfde stuk silicium gebouwd konden worden. Het eerste prototype van een integrated circuit (ic) werd gerealiseerd met een plak germanium en gouden draden. Silicium en germanium zijn halfgeleiders, of semiconductors. Dit materiaal is alleen geleidend onder bepaalde voorwaarden.

Een transistor kan gezien worden als een elektronisch gecontroleerde schakelaar. Het gedraagt zich min of meer als een diode in de sper-stand die geleidend gemaakt kan worden door een spanning aan te brengen op een van de 3 aansluitpunten, de zgn. basis. De eerste transistoren (gemaakt door Bell Labs) waren bipolaire junctie transistoren. Deze types vereisen een kleine stroom aan de basis om een veel grotere stroom te kunnen schakelen tussen de andere twee aansluitpunten, de zgn. collector en emitter. Meerdere transistoren in een schakeling trekken gezamenlijk stroom. Deze vermogens-consumptie begrenst het aantal transistoren dat maximaal op een stuk silicium (die) kan woren geplaatst.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) hebben als voordeel dat ze geen stroom trekken in de stabiele toestand. Een MOSFET komt in geleiding door het elektrisch veld dat wordt opgewekt tussen de gate (aansluitpunt) en de bulk (onderste laag halfgeleidend materiaal). Er zijn twee typen MOSFETs: NMOS en PMOS.

CMOS

De technologie waarmee logische poorten gebouwd worden, wordt Complementary Metal Oxide Semiconductor genoemd (CMOS). De term complementair wordt gebruikt omdat elke schakeling zowel PMOS als NMOS transistoren bevat. Eerdere technologieen gebruikten alleen PMOS of alleen NMOS. CMOS is in vergelijking met deze processen beter qua performance (rekensnelheid, capaciteit), opbrengst, betrouwbaarheid, en vermogens-consumptie. Vermogens-consumptie werd een belangrijk issue in de jaren '80 toen honderdduizenden transistoren werden geïntegreerd op een enkele die. CMOS processen werden wereldwijd de belangrijkste technologie, en vervingen NMOS en bipolaire processen voor bijna alle digitale logische applicaties.

Gordon Moore observeerde in 1965 dat het aantal gefabriceerde transistoren per die een rechte lijn opleverde op semi-logaritmische schaal. Destijds verdubbelde het aantal transistoren elke 18 maanden (ruw geschat zegt men ook wel 2 jaar). Deze observatie is later bekend geworden als De wet van Moore, en is een self-fulfilling prophecy geworden.

Lees verder

• Binair en hexadecimaal rekenen
• De wet van Moore
• De werking van de Flip-Flop
• De transistor, spanning en stroom
• Digitaal en analoog