Transistoriteknologian kehitys Ilpo Järvinen

Johdanto Transistori digitaalisissa piireissä Tekniikka ennen transistoreja Puolijohdetransistori Integroidut piirit MOS PMOS, NMOS, CMOS Mikroprosessori

Transistori digitaalisissa piireissä Toiminta perustuu puolijohdeilmiöön Puolijohde kappaleeseen muodostetaan valmistusvaiheessa rajapinta Sähköisiä ominaisuuksia voidaan säädellä Tyypit: bipolaarinen ja unipolaarinen Digitaalisissa sovelluksissa: unipolaarinen Toimii ohjauksen suhteen kytkimenä Joko päästö- tai estotilassa Tehonkulutus aiheuttaa piirin lämpenemisen 3-napaa, yhdellä ohjaus. Elektronien runsaus (n-type) Elektronivajaus (p-type)

Transistori piirissä

Puolijohteet: germanium ja pii 32, 14 Kuvat: http://www.periodictabletable.com

Veräjät Kasataan transistoreja yhdistelemällä Toteuttavat jonkin loogisen operaation (AND, OR, XOR, jne.) Loogisia tiloja (0 ja 1) kuvataan jännitteillä (0V ja käyttöjännite) Myös muut rakenteet mahdollisia toteuttaa Tietoa tallentavat kiikut ja salvat

Tyhjiöputki 1883 Edison keksi tyhjiön sähkönjohtavuusominaisuuden 1906 Ensimmäinen tyhjiöputki Aluksi analogisiin sovelluksiin 1930-luvulla ensimmäiset digitaaliset kokeilut 1940-luvun puolivälissä digitaaliseen käyttöön (mm. ENIAC)

Tyhjiöputkien ongelmia Monia ongelmia Toiminta ulkoisesta lämpötilasta riippuvainen Suurikokoinen Suuri tehonkulutus paljon lämpöä Paloi loppuun Jatkuva huoltamistarve

Julius Lilienfield Tutki 1920-luvulla puolijohteita 1926 patenttihakemus, joka voidaan luokitella puolijohdetransistoriksi Prototyyppi ei toiminut Muitakin keksintöjä samalta alueelta 1930-luvulla unohtui epävarma tieto: protosta

Transistorin keksijät Bell Labsilla vuonna 1945 ryhmä tutkimaan puolijohteita William Shockley, 1910-1989 Kehitellyt mm. U-235 fissiota, toisessa maailmansodassa käytettyä sotateknologiaa Ryhmän johtaja, toimi kuitenkin paljon “omin päin” Taitava ongelman ratkoja

Transistorin keksijät (2) John Bardeen, 1908-1991 Teoreetikko 1972 fysiikan Nobel (suprajohtavuudesta) Walter Braittain, 1902-1987 Käytännön mies Vuonna 1956 keksijä kolmikolle fysiikan Nobel palkinto Bardeen ainoa fysiikan tupla nobelisti

Puolijohdetransistori Vuonna 1947 ensimmäinen transistori Bardeen ja Braittain keksivät, Shockley teki ”omaa tutkimustaan” Bell Labs vaati, että Shockley mainitaan, koska hän oli ryhmän johtajana Johtimet ”asetettu” puolijohdekappaleen pinnalle Erittäin epäluotettava Toiminta vaihteli yksilöiden välillä 1948 patenttihakemus Shockleytä ei hakemuksessa Hyväksyttiin 1950 point-contact germanium transistor ongelma, liian paksut johtimet Joulukuun 16, 1947 Käytän transistori == puolijohdetransistori

Puolijohdetransistori (2)

Puolijohdetransistori (3) Aluksi puolijohteena germanium Kallista Harvinaista Shockley jatkoi kehittelyä Etääntyi Bardeenista ja Braittainista Vuonna 1951 varmatoimisempi bipolaaritransistori Virta kulkee puolijohteen läpi, eikä ”pinnalla” bipolar junction transistor

Transistorin ominaisuuksia Tyhjiöputkiin verrattuna ylivertainen Pieni koko, virrankulutus ja hinta Parempi lämmönsietokyky Ei pala nopeasti loppuun Valmistaminen helpompaa

Ensimmäiset sovellukset Vuonna 1954 TI toi markkinoille ensimmäiset piitransistorit Samana vuonna transistoriradio 1953 Bell Labsilta TRADIC 800 transistorinen tietokone 1955 IBM:ltä kaupallinen tietokone transistoreista Korkea hinta Ei ollut myyntimenestys

Syitä integrointiin Transistorit vievät tilaa Moniin sovelluksiin liian suuri tilan tarve Monimutkaiset rakenteet vaativat jopa monien piirilevyjen tilan Puolijohdetransistoreja ei tyhjiöputkien tapaan jouduttu vaihtamaan Ei tarvetta vaihtaa yksittäisiä komponentteja

Geoffrey Dummer Tutki integroituja piirejä 1950-luvulla Armeijan toimeksianto Toiminta pitkälti salaista Prototyyppi ei toiminut Ei saanut jatkorahoitusta

Ensimmäinen integroitu piiri (IC) Keksijänä Jack Kilby 1923- Keskinkertainen koulumenestys Suunnittelu TI:llä vuonna 1958, muiden ollessa kesälomilla Toteutus myöhemmin syksyllä Patenttihakemus vuonna 1959 Sisälsi 5 komponenttia Ongelmana kultalangoista toteutetut johtimet Sai vuonna 2000 fysiikan Nobelin Seuraavassa slidessa kuva… Meanwhile, yrityshistoriaa… :-)

Ensimmäinen IC (2)

Fairchild Semiconductor Shockley perusti 1955 Semiconductor Laboratoryn Jätti Bell Labsin Kokosi ympärilleen joukon nuoria insinöörejä: mm. Jean Hoerni, Gordon Moore, Robert Noyce Ajautui nopeasti ongelmiin Insinöörit erosivat ja perustivat oman yrityksen Nykyisin tunnetaan nimellä Fairchild Semiconductorina

Tasoon valmistettu IC Jean Hoerni, Kurt Lehovec ja Robert Noyce kehittivät tahollaan IC:tä Fairchildilla Riippumaton Kilbyn tutkimuksesta Patenttihakemus muutama kuukautta Kilbyn hakemuksen jälkeen Saivat patentin ennen Kilbyä vuonna 1961

Tasoon valmistettu IC (2) Teknisesti Kilbyn toteutusta parempi Puolijohdekappale Eristekerros Johdinkerros Nykyinen tekniikka hyvin samankaltainen Tosin jopa 10 johdinkerrosta

Texas Instruments vs. Fairchild Semiconductor Päätyivät ristiinlisensoimaan toistensa keksinnöt oikeustaistelun lopettamiseksi 1961 molemmat toivat markkinoille integroidun piirin Muutama transistori ja vastus piirillä aluksi kaikki IC:t bipolaarisia

IC:iden valmistus Alussa suuria ongelmia Epävarma tuotantoprosessi Jopa 90% piireistä kelvottomia Korkea hinta Jopa 100-kertainen yksittäisistä transistoreista koottuun verrattuna Edes pieni tilantarve ei vakuuttanut monia asiakkaita Laski kuitenkin nopeasti 1960-luvulla

Mooren laki Vuonna 1965 Gordon Moore tutki aikaisempien vuosien kehitystä Havaitsi transistorimäärän hintaa kohden tuplaantuvan Aluksi 12 tai 24 kk kausi Vakiintui myöhemmin 18 kk:hon Lakia on kritisoitu viime aikoina voimakkaasti

Muistit DRAM vuonna 1966 1967 1969 Inteliltä 1kb DRAM Yksi transistori ja yksi kondensaattori per bitti Aiemmin väh. 6 transistoria per bitti (SRAM) 1967 256-bittinen IC SRAM Fairchildilta IC DRAM IBM:ltä 1969 Inteliltä 1kb DRAM IBM:n IC:n koosta ei ole tietoa

MOS(FET) Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Metallioksidin puolijohdeominaisuuteen perustuva transistori Unipolaarinen Aikaisempiin nähden Pienempi tilan tarve Pienempi tehonkulutus Halvempi tuottaa Hitaampi Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

MOS(FET) (2) Kaksi eri tyyppiä NMOS (n-type MOS) ja PMOS (p-type MOS) Erona ohjaavan syötteen polariteetti Kahng ja Attalla kehittivät 1960 Bell Labsilla Hitauden takia ei otettu vakavasti Ensimmäinen MOS IC rakennettiinkin siksi 1962 RCA Research Laboratoryssä Steven Hofstein, Fredric Heiman

MOS(FET) (3) NMOS: n-type: Channel (when Gate=Vdd), Substrate - p-type: Drain, Source PMOS: p-type: Channel (when Gate=0V), Substrate – n-type: Drain, Source

MOS(FET) (4) Nykyisistä piireistä lähes kaikki perustuvat MOS-transistoreihin Edelleen samoja ongelmia Virran kulutus Piirin lämpeneminen Sisäänmenon suuruisen jännitteen kopiointi ulostuloon

CMOS Complementary MOS Frank Wanlass keksi 1963 Käyttöön vasta 1970-luvulla ja 1980-luvun alussa Perustuu NMOS- ja PMOS-yhteiskäyttöön 0- ja 1-tason kytkennät toteutettu toistensa loogisella komplementilla Erittäin pieni virrankulutus Sisäänmenon suuruinen ulostulon jännite ok

CMOS (2) AND veräjän toteutus t = f = NOT(a NAND b) 0, kun a AND b = !a OR !b f = 0, kun t 1, kun !t Pelkkä AND ongelma

MOS(FET) (3) NMOS: n-type: Channel (when Gate=Vdd), Substrate - p-type: Drain, Source PMOS: p-type: Channel (when Gate=0V), Substrate – n-type: Drain, Source

TTL Transistor-to-Transistor Logic IC:t standardipiirejä, joissa veräjiä Kytkennät toteutettiin piirilevyllä Yleensä yhtä veräjää yhdellä piirillä Fairchildilta Micromosaic vuonna 1967 Ainoa “kapinallinen” Nykyisten ASIC-piirien kaltainen toteutustapa ~300 transistorinen piiri, joko NMOS tai PMOS Johdinkerros oli asiakkaan päätettävissä Markkinat kutistuivat ja lopulta tuotanto lopetettiin

TTL (2) Transistorien määrät yksittäisellä piirillä kasvoivat Aikakausi Transistoreja Lyhenne 1960-luvun alku <10 SSI Small Scale Integration 1960-luvun loppu 10-100 MSI Medium Scale Integration 1970-luku 100-5000 LSI Large Scale Integration 1970-luvun loppu 5000- VLSI Very Large Scale Integration

Intel Syntyi vuonna 1968 Aluksi tuotteina muistit Perustajina Gordon Moore, Robert Noyce ja Andrew Grove Aluksi tuotteina muistit Japanilaiselta Busicomilta tilaus laskimeen 12 piiriä Intelillä päädyttiin kuitenkin yksipiiriseen ratkaisuun Busicom hyväksyi ehdotuksen ja rahoitti kehityksen Samaan aikaan TI:llä prosessorin kehitysprojekti Valmistui samana vuonna Intelin hankkeen kanssa Shockley epävarma… Intelin site ei kerro mitään, mutta #3 staffista ”puuttuu”… :-)

Ensimmäinen mikroprosessori Intel 4004 Valmistui vuonna 1971 4-bittinen, 16-rekisteriä ~4mm x ~3mm ≈ 12 mm² Viivanleveys 10 µm (mikronia) Oikeudet Busicomilla Intel osti oikeudet itselleen ($60 000) Busicom konkurssiin pian tämän jälkeen

Intel4004

IC:iden vakiintuminen 1960- ja 1970-luku murroksen aikaa Siirtyminen integroituihin piireihin Valmistusteknologian parantuessa viivanleveys pieneni 1980-luvun alussa saavutettiin 1 µm Micromosaic-tyyppisen piirin valmistuksen uusi tuleminen 1980-luvusta alkaen pelkästään viivanleveyttä pienennetty

Yhteenveto Tyhjiöputki => Transistori => IC Puolijohdeteollisuus kasvanut valtavaksi teollisuuden haaraksi Mahdollistanut nykyisen ”informaatio ajan”