Diode
Om te begrijpen hoe je van dit N- en P-materiaal een transistor en dus een minuscule schakelaar kunt maken, maken we eerst een tussenstap en bekijken we één van de meest simpele elektronische componenten die er bestaan: de diode. Kort door de bocht is een diode een component dat in één richting stroom geleidt en in de andere richting juist niet. In de basis is een diode niet anders dan een stukje N-materiaal en een stukje P-materiaal tegen elkaar geplakt. Onderstaande afbeelding brengt verduidelijking.
Bovenin zien we de diode, met links het P gedeelte en rechts het N gedeelte. Deze diode is aangesloten op een batterij. Hoewel zowel het P-materiaal als het N-materiaal geleidend zijn, zal er in de opstelling zoals in de afbeelding geen stroom gaan lopen. Immers: de vrije elektronen van het N-materiaal worden aangetrokken voor de + pool van de batterij en de vrije gaten in het P-materiaal juist door de – pool van de batterij. Draai je batterij om dan worden zowel de elektronen als de gaten naar het midden van de diode gestuwd en kunnen daar elektronen overspringen naar gaten. Het resultaat: er loopt een stroom!
Een diode bestaat uit aan elkaar geplakt P- en N-materiaal en geleidt slechts in één richting stroom.
Transistor
Een transistor lijkt op een diode, maar bestaat uit drie gedeeltes. Je kunt twee varianten maken: NPN of PNP. In feite is een transistor dus twee diodes in tegenovergestelde richting achter elkaar geplakt. In normale stand kan er door een transistor dus geen stroom gevoerd worden, hoe je de stroombron al aansluit. Maar we schreven al; een transistor fungeert als een soort minischakelaar.
In onderstaande afbeelding zie je een dwarsdoorsnede van een transistor zoals die miljoenen keren voorkomt in een moderne processor. De basis van de transistor – het substraat in jargon – is silicium. De transistor heeft drie aansluitingen: links de source, rechts de drain en bovenop de gate. In het geval van een NPN-transistor is het groene gedeelte P-materiaal, de source en drain zijn N-materiaal. De transistor lijkt zodoende dus op een dubbele diode.
Bovenop het kanaal tussen de source en drain is er een klein stukje isolatie en daarbovenop zit de gate aansluiting. Door op deze gate een elektrische spanning te zetten, worden in het geval van een NPN-transistor met een veldeffect de elektronen in het kanaal naar boven getrokken en de gaten juist naar beneden geduwd. Op die manier ontstaat er een elektrische geleiding van source naar drain, vlak onder de isolatie. De schakelaar is compleet: door al dan niet op de gate een spanning te zetten kun je ervoor zorgen dat er wel of geen stroom van source naar drain kan stromen.
De transistor, zoals er miljoenen op een processor zitten, werkt als een schakelaar.
Microscopische foto van een Intel 45nm transistor.
Miljoenen
Miljoenen schakelaars en dus miljoenen transistors zijn er nodig om een potente chip als een moderne processor te maken. In Intels Core i7 9xx processors zitten ruim 730 miljoen transistors op een oppervlak van ongeveer 263 mm². In de nieuwe Core i7 980X met 32 nm transistors zelfs 1170 miljoen op 248 mm²! Uit het bovenstaande kun je al afleiden dat dit geproduceerd moeten worden door een stuk silicium van die grootte op de juiste plekken om te toveren tot P- of N-materiaal en daarna bovenop de juiste gate-aansluitingen te leggen. Naast een onderste laag waarop alle transistors zich bevinden, bevat iedere processor daar bovenop verschillende lagen met metalen verbindingen, die alle transistors op de juiste manier met elkaar verbinden. Dat alles geproduceerd krijgen is een ongekend precisiewerk. We nemen het productieproces stap voor stap met je door.
