jak se vyrábí tranzistor?

Foto: oplatka křemíku. Foto s laskavým svolením NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

tranzistory jsou vyrobeny z křemíku, chemického prvku nalezeného v písku ,který normálně nevede (neumožňuje elektronům snadno protékat).Křemík je polovodič, což znamená, že je toani opravdu akonduktor (něco jako kov, který umožňuje tok elektřiny) ani anizulátor(něco jako plast, který zastavuje tok elektřiny). Pokud zpracováváme křemík nečistotami (proces známý jako doping), můžeme ho chovat jinýmzpůsobem. Pokud bychom drogy křemík, s chemickými prvky, arsen, fosfor,nebo antimonu, silicon získá nějaké další „volné“ elektrony—ty, které mohou nést elektrický proud—tak elektrony budou proudit z více přirozeně. Protože elektrony mají záporný náboj, silikonzachází se tímto způsobem s názvem n-type (negativetype). Můžeme také dopovat křemík s jinými nečistotami, jako je bor, gallium a hliník. Takto ošetřený křemík má méně těchto „volných“ elektronů, takže elektrony v okolních materiálech budou mít tendenci do něj proudit. Nazýváme tento druh křemíkového typu p (pozitivní typ).

rychle, mimochodem, je důležité si uvědomit, že ani křemík typu n nebo P nemá ve skutečnosti náboj sám o sobě: oba jsou elektricky neutrální. Je pravda, že křemík typu n má navíc „volné“ elektrony, které zvyšují jeho vodivost, zatímco křemík typu p má méně těchto volných elektronů, což pomáhá zvýšit jeho vodivost opačným způsobem. V každém případě, extra vodivost pochází z přidané neutrální (nenabitý) atomy příměsí do křemíku, který byl neutrální začít s—a nemůžeme vytvářet elektrické náboje ze vzduchu! Podrobnější vysvětlení bych potřeboval, abych představil myšlenku nazvanou Bandova teorie, která je trochu nad rámec tohoto článku. Vše, co si musíme pamatovat, je, že „extra elektrony“ znamenají další volné elektrony-ty—které se mohou volně pohybovat a pomáhají přenášet elektrický proud.

křemíkové sendviče

nyní máme dva různé typy křemíku. Pokud je spojíme ve vrstvách, vyrábíme sendviče z materiálu typu p A n, můžeme vyrobit různé druhy elektronických součástek, které pracují ve všech druzích způsobů.

Předpokládejme, že spojíme kus křemíku typu n s kusem křemíku typu p a umístíme elektrické kontakty na obě strany. Vzrušující a užitečnévěci se začínají dít na křižovatce mezi oběma materiály. Pokud otočíme proud, můžeme elektrony protékat křižovatkou ze strany typu n na stranu typu p a ven obvodem. Thishappens, protože nedostatek elektronů na straně typu p funkce táhne elektrony ze strany typu n A naopak. Ale když obrátíme proud, elektrony nebudou proudit vůbec. To, co jsme zde vytvořili, se nazývá dioda (nebo usměrňovač). je to elektronická součást, která umožňuje proud protékat pouze jedním směrem. Je užitečné, pokud chcete obrátit střídavý (obousměrný) elektrický proud napřímý (jednosměrný) proud. Diody mohou být také vyrobeny tak, aby vydávaly světlo, když jimi protéká elektřina. Možná jste viděli tysvětelné diody (LED) na kapesních kalkulačkách a elektronické zobrazení na hi-fi stereo zařízení.

jak funguje přechodový tranzistor

fotografie: typický křemíkový tranzistor PNP (a1048 navržený jako zesilovač zvukové frekvence).

nyní předpokládejme, že v našem sendviči použijeme tři vrstvy křemíku místo dvou. Můžeme buď udělat sendvič p-n-p (s plátkem křemíku typu n jako náplní mezi dvěma plátky typu p) nebo n-p-nsandwich (s typem p mezi dvěma deskami typu n). Pokud připojíme elektrické kontakty ke všem třem vrstvám sendviče, můžemevytvořit součást, která buď zesílí proud, nebo jej zapne oroff-jinými slovy tranzistor— Podívejme se, jak to funguje v případě Ann-p-n tranzistoru.

takže víme, o čem mluvíme, dejme jména třemelektrické kontakty. Budeme volat dva kontakty spojené s twopieces n-typu křemíku emitor a kolektor, a kontakt spojený s p-typu křemíku budeme volat základnu. Když nocurrent isflowing v tranzistoru, víme, p-typ křemík je krátký ofelectrons (zobrazeno, je tu malá znaménka plus, což představuje positivecharges) a dva kusy n-typ křemíku mají elektrony navíc(ukazuje trochu mínus, což představuje záporné náboje).

Další způsob, jak na to je říct, že zatímco n-typ má asurplus elektronů, p-typ má díry, kde electronsshould být. Za normálních okolností, otvory v základně působí jako bariéra, brání anysignificant proud z emitoru do kolektoru zatímco tranzistor je v „off“ stavu.

tranzistor pracuje, když se elektrony a otvory začnou pohybovatpřes dvě křižovatky mezi křemíkem typu n A P.

pojďme připojitpřipojte tranzistor na nějaký výkon. Předpokládejme, že připojíme malýpozitivní napětí k základně, aby byl emitor záporně nabitý audělejte kolektor kladně nabitý. Elektrony jsou vytaženy ze základny-a pak ze základny do kolektoru. A tranzistor se přepne do jeho „na“ stát:

malý proud, že jsme se obrátit na základnu je velký currentflow mezi emitorem a kolektorem. Otočením malého vstupuproud do velkého výstupního proudu, tranzistor funguje jako zesilovač. Ale působí také jako přepínač ve stejnou dobu. Pokud není k dispozici žádný proudzákladna, malý nebo žádný proud teče mezi kolektorem a emitorem. Zapněte základní proud a velký proud teče. Takže základní proud zapíná a vypíná celý tranzistor. Technicky, tyto tranzistor se nazývá bipolární becausetwo různé druhy (nebo „polarity“) elektrický náboj (negativní elektrony andpositive otvory) jsou zapojeny do tvorby proud.

můžeme také pochopit tranzistor tím, že na něj myslíme jako na pár diod. S základu pozitivní a emitor negativní, báze-emitor křižovatce je jako vpřed-biaseddiode, s elektrony pohybující se v jednom směru přes křižovatku (zleva doprava v diagramu) a otvory jít opačným směrem (zprava doleva). Základní Sběratelská funkce je jako obrácená dioda. Kladné napětí kolektoru táhvětšina elektronů skrz a do vnějšího obvodu (i když některé elektrony rekombinují s otvory v základně).

jak funguje tranzistor s efektem pole (FET)

všechny tranzistory pracují řízením pohybu elektronů, Alene Všechny to dělají stejným způsobem. Stejně jako spojovací tranzistor má Fet (tranzistor s efektem pole) tři různé svorky-ale onimají názvy zdroj (analogický emitoru), odtok (analogický sběrači) a Brána(analogická základně). Ve FET jsou vrstvy křemíku typu N A P uspořádány poněkud odlišným způsobem a potaženy vrstvami kovu a oxidu. To nám dává zařízení zvané aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Ačkoli tam jsou navíc elektronů v n-typu source a drain,nemohou proudit z jedné na druhou, protože z děr v p-typu brány mezi nimi. Pokud však připojíme pozitivnínapětí k bráně, vytvoří se zde elektrické pole, které umožňujeelektrony proudit v tenkém kanálu od zdroje k odtoku. Tento „efekt pole“ umožňuje proudění proudu a zapíná tranzistor:

Pro úplnost, mohli jsme na vědomí, že MOSFET je unipolartransistor, protože pouze jeden druh („polarity“)elektrický náboj se podílí na tom, aby to fungovalo.

jak fungují tranzistory v kalkulačkách a počítačích?

v praxi nemusíte vědět nic z toho oelektronech a dírách, pokud se nebudete živit návrhem počítačových čipů! Vše,co potřebujete vědět, je to atranzistor funguje jako zesilovač nebo spínač pomocí malého proudupřepněte větší. Ale je tu ještě jedna věc, kterou stojí za to vědět: jak to všechno pomáhá počítačům ukládatinformace a rozhodování?

můžeme dát pár tranzistor se přepne, aby společně somethingcalled logická brána, která porovnává severalinput proudy a dává jiný výstup jako výsledek. Logické brány umožňují počítačůmvelmi jednoduchá rozhodnutí pomocí matematické techniky zvané booleovská algebra. Váš mozek rozhoduje stejným způsobem. Například pomocí „vstupů“ (věcí, které znáte) o počasí a o tom, co mátevaše chodba, můžete se rozhodnout takto: „Pokud prší a mám deštník, půjdu do obchodůobchody“. To je příklad Booleova algebra pomocí toho, co se říká A“operátor“ (slovo operátor je jen trochu matematické žargonu tomake věci se zdají být složitější, než ve skutečnosti jsou). Můžete to udělatpodobná rozhodnutí s ostatními operátory. „Pokud je větrno nebo sněží, pak si obléknu kabát“ jepříklad použití operátora OR. Nebo co takhle „pokud prší a mám deštník nebo mám kabát, pak je v pořádku jít ven“. Použití a nebo a dalších operátorů nazývanýchnor, XOR, NOT a NAND, počítače mohou přidávat nebo porovnávat binární čísla.Tato myšlenka je základním kamenem počítačových programů: logikasérie instrukcí, které nutí počítače dělat věci.

normálně je tranzistor „vypnutý“, když není žádný základní proud, a přepne se na“ on“, když proudí základní proud. To znamená, že to vyžaduje elektrický proud pro zapnutí nebo vypnutí tranzistoru. Ale takovéto tranzistory lze připojit k logickým hradlům, takže jejich výstupní připojení se vrací zpět do jejich vstupů. Tranzistorpak zůstane zapnutý, i když je odstraněn základní proud. Pokaždé, když nový proud protéká, tranzistor“ převrátí “ zapnutí nebo vypnutí. Zůstává v jednom z těchto stabilních stavů (buď zapnutý nebo vypnutý), dokud jiný proud nepřijde a nepřevrátí jej opačným směrem. Tento druh arrangementis známý jako flip-flop a to se změní atransistor do simplememory zařízení, které ukládá nule (když je vypnutý), nebo jeden (když to ‚ son). Žabky jsou základní technologií paměťových čipů počítače.