Transistoriteknologian kehitys

Esitys aiheesta: "Transistoriteknologian kehitys"— Esityksen transkriptio:

1 Transistoriteknologian kehitys
Ilpo Järvinen

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

3 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)

4 Transistori piirissä

5 Puolijohteet: germanium ja pii
32, 14 Kuvat:

6 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

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

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

9 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

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

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

12 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

13 Puolijohdetransistori (2)

14 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

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

16 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

17 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

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

19 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… :-)

20 Ensimmäinen IC (2)

21 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

22 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

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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

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

32 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

33 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

34 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

35 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

36 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 LSI Large Scale Integration 1970-luvun loppu 5000- VLSI Very Large Scale Integration

37 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”… :-)

38 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

39 Intel4004

40 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

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