Как работает транзистор

Транзистор — это выключатель тока без единой движущейся детали. Его открывает и закрывает напряжение на третьем выводе. Перед вами полевой транзистор, или MOSFET: так их делали с 1960-х до начала 2010-х, и по тому же принципу работают все транзисторы в вашем телефоне. Модель можно вращать, разрезать и разобрать на слои.

Поверните регулятор затвора. Когда напряжение переходит порог, под затвором собираются электроны и соединяют исток со стоком. Добавьте напряжение на стоке, и по этому мостику побежит ток. Уберите напряжение с затвора, и мостик исчезнет. Так транзистор и работает: напряжение на одном выводе открывает или закрывает дорогу току между двумя другими. Дальше разберёмся, почему кремний так умеет.

Электрический ток — это движение зарядов, чаще всего электронов. В металле у каждого атома есть свободный электрон, который гуляет по всему куску: поэтому медь хорошо проводит ток. В изоляторе, например в стекле, все электроны крепко привязаны к своим атомам, и ток не идёт.

Кремний посередине. У его атома четыре внешних электрона, и каждый он делит с соседом: так получается прочная кристаллическая решётка, где все электроны заняты в связях. Чтобы вырваться из связи, электрону нужна энергия 1,12 электронвольта, её называют шириной запрещённой зоны. Тепло иногда даёт эту энергию, но редко: при комнатной температуре свободен примерно один электрон на пять триллионов атомов.

На месте сбежавшего электрона остаётся пустое место, дырка. В неё перескакивает электрон из соседней связи, и дырка смещается. Она ведёт себя как положительный заряд, и ток в кремнии несут и электроны, и дырки.

Чистый кремний проводит плохо и к тому же сильно зависит от температуры. Чтобы сделать из него транзистор, нужно научиться управлять числом свободных зарядов. Это делают примесями.

Заменим один атом кремния атомом фосфора. У фосфора пять внешних электронов: четыре уходят на связи с соседями, а пятый лишний. Он почти свободен, и тепла хватает, чтобы его оторвать. Такой кремний называют n-типом, от negative: ток в нём несут отрицательные электроны. Атом фосфора, отдавший электрон, становится неподвижным положительным ионом.

У атома бора, наоборот, всего три внешних электрона, и одной связи не хватает: в решётке появляется дырка. Это p-тип, от positive: ток несут положительные дырки, а бор становится отрицательным ионом.

Примеси нужно совсем немного. Один атом фосфора на миллион атомов кремния увеличивает число свободных зарядов в миллионы раз. Добавление примесей называют легированием. В самых сильно легированных частях транзистора на один атом примеси приходится всего несколько сотен атомов кремния.

Самое интересное происходит на границе n- и p-областей. Электроны из n-области перебираются в p-область и заполняют там дырки. Возле границы свободных зарядов не остаётся, только неподвижные ионы примеси: положительные со стороны n и отрицательные со стороны p. Эту полоску называют обеднённой областью. Ионы создают в ней электрическое поле, которое останавливает дальнейший переход зарядов. Разность потенциалов на границе — около 0,7 вольта.

Подадим на переход напряжение плюсом к p-области. Внешнее поле ослабит внутреннее, обеднённая область сузится, и заряды пойдут через границу. Ток растёт очень быстро: в десять раз на каждые 60 милливольт. Подадим напряжение наоборот, и обеднённая область расширится, а ток почти исчезнет. Получился диод: он пропускает ток только в одну сторону.

Полевой транзистор — это два p-n-перехода, обращённых друг к другу. Исток и сток — сильно легированные островки n-типа в подложке p-типа. Между ними лежит p-кремний, и какое напряжение ни подай между истоком и стоком, один из двух переходов окажется закрыт. Ток не идёт: транзистор выключен.

Над промежутком лежит затвор, отделённый от кремния тончайшим изолятором. Подадим на затвор плюс. Его поле отталкивает дырки вглубь и притягивает к поверхности электроны. Когда напряжение превышает порог, в нашей модели 0,35 вольта, электронов у поверхности становится больше, чем дырок, и тонкий слой p-кремния превращается в n-кремний. Этот слой и есть канал, мостик из электронов между истоком и стоком. Транзистор включён.

Электронов в канале удивительно мало. Под затвором размером 20 на 50 нанометров их всего около сотни. В современных транзисторах, где затвор обхватывает канал с нескольких сторон, их несколько сотен. А поскольку затвор отделён изолятором, ток через него почти не идёт: чтобы держать транзистор открытым, энергия не нужна. Её тратят только на то, чтобы один раз зарядить затвор, как крошечный конденсатор.

Ток через открытый транзистор зависит от обоих напряжений. Пока напряжение на стоке маленькое, канал почти однородный, и транзистор ведёт себя как резистор: ток растёт пропорционально напряжению. Чем выше напряжение на затворе, тем больше электронов в канале и тем меньше сопротивление.

Если поднимать напряжение на стоке дальше, канал у стока истончается: затвору там «противостоит» уже большее напряжение. Когда напряжение на стоке доходит до разницы между затвором и порогом, канал у стока пережимается, и ток почти перестаёт расти. Это насыщение. В насыщении транзистор держит ток, заданный затвором, на этом устроены усилители.

Ниже порога ток не исчезает совсем, а падает примерно в десять раз на каждые 60–80 милливольт. Этот подпороговый ток — главная причина, почему микросхема греется, даже когда ничего не делает: миллиарды закрытых транзисторов всё равно чуть-чуть пропускают ток.

Компьютеру нужен не плавный ток, а два состояния: ноль и единица, низкое напряжение и высокое. Транзистор подходит для этого идеально. Но если поставить один транзистор с резистором, то, пока он открыт, через них всё время течёт ток и греет микросхему.

Решение придумали в 1963 году и назвали КМОП, комплементарной логикой. К n-транзистору добавляют его зеркального двойника, p-транзистор: у него исток и сток из p-кремния, канал из дырок, и открывается он не плюсом на затворе, а нулём. Ставим p-транзистор сверху, к питанию, n-транзистор снизу, к земле, и соединяем их затворы. Единица на входе открывает нижний, и на выходе ноль. Ноль открывает верхний, и на выходе единица. Получился инвертор, логическое НЕ. В любом устойчивом состоянии один из транзисторов закрыт, поэтому ток от питания к земле не течёт.

Энергия тратится только в момент переключения: на перезарядку затворов следующих транзисторов, около фемтоджоуля за раз. Это очень мало, но транзисторов миллиарды, и переключаются они миллиарды раз в секунду. Отсюда десятки ватт, которые рассеивает процессор.

Соединим четыре транзистора иначе: два n-транзистора последовательно между выходом и землёй и два p-транзистора параллельно между выходом и питанием. Выход станет нулём, только если открыты оба нижних, то есть на обоих входах единица. Это вентиль И-НЕ (NAND). Если поменять местами последовательное и параллельное соединения, получится ИЛИ-НЕ (NOR).

Из вентилей И-НЕ можно собрать любую логическую функцию. Если соединить оба входа, получится НЕ. И-НЕ, после которого стоит НЕ, — это И. Три вентиля И-НЕ дают ИЛИ. Поэтому из одного вида выключателей, соединённых правильно, получается вся логика компьютера.

Чем меньше транзистор, тем быстрее он переключается, тем меньше энергии на это уходит и тем больше транзисторов помещается на кристалле. В 1965 году Гордон Мур заметил, что число транзисторов на микросхеме удваивается каждый год, а в 1975-м поправил прогноз: каждые два года. Этот закон Мура держался полвека: от 2300 транзисторов в Intel 4004 в 1971 году до 92 миллиардов в Apple M3 Max в 2023-м. В ускорителе NVIDIA Rubin 2026 года их уже 336 миллиардов, правда, на двух кристаллах.

Номера глав этой статьи — названия техпроцессов, от 10 микрометров в 1971 году до 2 нанометров в 2025-м. Но названия давно разошлись с размерами: в техпроцессе «3 нм» длина затвора около 16–18 нанометров, а расстояние между соседними затворами 45–50. Вдоль затвора укладывается меньше сотни атомов кремния.

Когда затвор стал совсем коротким, он перестал удерживать канал: ток начал просачиваться под ним даже в выключенном состоянии. Выход нашли в том, чтобы охватить канал со всех сторон. В 2011 году Intel поставил канал на ребро: получился FinFET, тонкий кремниевый плавник, который затвор обнимает с трёх сторон. С 2022 года делают транзисторы с затвором вокруг канала, GAA: канал — стопка тонких кремниевых лент, и затвор окружает каждую.

Соберём из вентилей то, ради чего всё затевалось, — сложение. Полный сумматор складывает два бита и бит переноса из младшего разряда. Его можно собрать из девяти вентилей И-НЕ, то есть из 36 транзисторов. Четыре таких сумматора в цепочку складывают числа от 0 до 15.

Нажимайте на биты чисел и смотрите, как перенос бежит по цепочке: каждый вентиль срабатывает с небольшой задержкой, поэтому результат «досчитывается» на глазах. В процессоре сумматоры 64-разрядные и устроены хитрее, чтобы перенос не ждал. Но в основе всё те же выключатели, которые открывает напряжение на затворе. В смартфоне их около двадцати миллиардов.