Wie wird ein Transistor hergestellt?

Foto: Ein Wafer aus Silizium. Foto mit freundlicher Genehmigung des NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).Transistoren bestehen aus Silizium, einem chemischen Element im Sand, das normalerweise nicht leitetelektrizität (es lässt Elektronen nicht leicht durchfließen).Silizium ist ein Halbleiter, was bedeutet, dass es weder wirklich ein Leiter (so etwas wie ein Metall, das Elektrizität fließen lässt) noch ein Isolator (so etwas wie Kunststoff, der den Stromfluss stoppt) ist. Wenn wir Silizium mit Verunreinigungen behandeln (ein Prozess, der als Dotierung bekannt ist), können wir es anders verhalten lassen. Wenn wir Silizium mit den chemischen Elementen Arsen, Phosphor oder Antimon dotieren, gewinnt das Silizium einige zusätzliche „freie“ Elektronen — solche, die einen elektrischen Strom tragen können —, so dass Elektronen natürlicher aus ihm herausfließen. Da Elektronen eine negative Ladung haben, wird auf diese Weise behandeltes Silikon als n-Typ (Negativtyp) bezeichnet. Wir können Silizium auch mit anderen Verunreinigungen wie Bor, Gallium und Aluminium dotieren. Silizium, das auf diese Weise behandelt wird, hat weniger dieser „freien“ Elektronen, so dass die Elektronen in nahegelegenen Materialien dazu neigen, hineinzufließen. Wir nennen diese Art von Silizium p-Typ (positiver Typ).

Im Vorbeigehen ist es wichtig zu beachten, dass weder n-Typ- noch p-Typ-Silizium tatsächlich eine Ladung in sich haben: Beide sind elektrisch neutral. Es ist wahr, dass Silizium vom n-Typ zusätzliche „freie“ Elektronen hat, die seine Leitfähigkeit erhöhen, während Silizium vom p-Typ weniger dieser freien Elektronen hat, was dazu beiträgt, seine Leitfähigkeit auf die entgegengesetzte Weise zu erhöhen. In jedem Fall kommt die zusätzliche Leitfähigkeit von der Zugabe neutraler (ungeladener) Atome von Verunreinigungen zu Silizium, das anfangs neutral war — und wir können keine elektrischen Ladungen aus dünner Luft erzeugen! Für eine detailliertere Erklärung müsste ich eine Idee namens Band theory vorstellen, die den Rahmen dieses Artikels ein wenig sprengt. Wir müssen uns nur daran erinnern, dass „zusätzliche Elektronen“ zusätzliche freie Elektronen bedeuten — solche, die sich frei bewegen können und helfen, einen elektrischen Strom zu tragen.

Silizium-Sandwiches

Wir haben jetzt zwei verschiedene Arten von Silizium. Wenn wir sie in Schichten zusammensetzen und Sandwiches aus p- und n-Material herstellen, können wir verschiedene Arten von elektronischen Komponenten herstellen, die auf alle Arten von Wegen funktionieren.

Angenommen, wir verbinden ein Stück n-Silizium mit einem Stück p-Silizium und setzen elektrische Kontakte auf beiden Seiten. Spannende und nützliche Dinge beginnen an der Kreuzung zwischen den beiden zu passierenmaterialien. Wenn wir den Strom einschalten, können wir Elektronen durch den Übergang von der n-Seite zur p-Seite und durch den Stromkreis fließen lassen. Dies geschieht, weil der Mangel an Elektronen auf der p-Seite der Verbindung Elektronen von der n-Seite herüberzieht und umgekehrt. Aber wenn wir den Strom umkehren, fließen die Elektronen überhaupt nicht. Was wir hier gemacht haben, heißt Diode (oder Gleichrichter).Es ist eine elektronische Komponente, die Strom nur in eine Richtung durchlässt. Es ist nützlich, wenn sie wollen zu drehen wechsel (zwei-weg) elektrische strom intodirect (ein-weg) strom. Dioden können auch so hergestellt werden, dass sie abgebenlicht, wenn Strom durch sie fließt. Möglicherweise haben Sie diese Leuchtdioden (LEDs) an Taschenrechnern und elektronischen Anzeigen an HIFI-Stereoanlagen gesehen.

Funktionsweise eines Sperrschichttransistors

Foto: Ein typischer Silizium-PNP-Transistor (ein A1048, der als Audiofrequenzverstärker ausgelegt ist).

Nehmen wir nun an, wir verwenden drei Schichten Silizium in unserem Sandwich anstelle von zwei. Wir können entweder ein p-n-p-Sandwich (mit einer Scheibe n-Typ-Silizium als Füllung zwischen zwei Scheiben vom p-Typ) oder ein n-p-Nsandwich (mit dem p-Typ zwischen den beiden Platten vom n-Typ) herstellen. Wenn wir elektrische Kontakte mit allen drei Schichten des Sandwichs verbinden, können wir eine Komponente herstellen, die entweder einen Strom verstärkt oder ein— oder ausschaltet – mit anderen Worten, einen Transistor. Mal sehen, wie es im Fall von ann-p-n Transistor funktioniert.

Damit wir wissen, wovon wir sprechen, geben wir den Dreien Namen elektrische Kontakte. Wir nennen die beiden Kontakte, die mit den beiden Teilen aus n-Typ-Silizium verbunden sind, den Emitter und den Kollektor, und den Kontakt, der mit dem p-Typ-Silizium verbunden ist, nennen wir die Basis. Wenn kein Strom im Transistor fließt, wissen wir, dass das p-Typ-Silizium kurz vor Elektronen ist (hier durch die kleinen Pluszeichen, die positive Ladungen darstellen) und die beiden Stücke von n-Typ-Silizium haben zusätzliche Elektronen (gezeigt durch die kleinen Minuszeichen, die negative Ladungen darstellen).

Eine andere Art, dies zu betrachten, ist zu sagen, dass, während der n-Typ einen Überschuss an Elektronen hat, der p-Typ Löcher hat, in denen Elektronen sein sollten. Normalerweise wirken die Löcher in der Basis wie eine Barriere, die einen signifikanten Stromfluss vom Emitter zum Kollektor verhindert, während sich der Transistor in seinem „Aus“ -Zustand befindet.

Ein Transistor funktioniert, wenn sich die Elektronen und die Löcher über die beiden Übergänge zwischen dem n- und dem p-Silizium bewegen.

Lass unsverbinden Sie den Transistor mit etwas Leistung. Angenommen, wir legen eine kleine positive Spannung an die Basis an, machen den Emitter negativ geladen undMachen Sie den Kollektor positiv geladen. Elektronen werden vom Emitter in die Basis gezogen – und dann von der Basis in den Kollektor. Undder Transistor schaltet in seinen „On“ -Zustand:

Der kleine Strom, den wir an der Basis einschalten, erzeugt einen großen Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor. Indem ein kleiner Eingangsstrom in einen großen Ausgangsstrom umgewandelt wird, wirkt der Transistor wie ein Verstärker. Butit wirkt auch wie ein Schalter zur gleichen Zeit. Wenn kein Strom zur Basis fließt, fließt wenig oder kein Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter. Schalten Sie den Basisstrom ein und ein großer Strom fließt. Der Basisstrom schaltet also den gesamten Transistor ein und aus. Technisch wird diese Art von Transistor bipolar genannt, weilzwei verschiedene Arten (oder „Polaritäten“) elektrischer Ladung (negative Elektronen undpositive Löcher) sind an der Herstellung des Stromflusses beteiligt.

Wir können einen Transistor auch verstehen, indem wir ihn wie ein Diodenpaar betrachten. Mit der basis positive und die emitter negative, die basis-emitter junction ist wie eine vorwärts-biaseddiode, mit elektronen moving in eine richtung über die kreuzung (von links nach rechts in die diagramm) und löcher gehen die entgegengesetzte weg (von rechts nach links). Die Base-Collectorjunction ist wie eine Reverse-biased Diode. Die positive Spannung des Kollektors zieht die meisten Elektronen durch und in den äußeren Stromkreis (obwohl einige Elektronen mit Löchern in der Basis rekombinieren).

Funktionsweise eines Feldeffekttransistors (FET)

Alle Transistoren steuern die Bewegung von Elektronen, abernicht alle tun dies auf die gleiche Weise. Wie ein Sperrschichttransistor hat ein FET (Feldeffekttransistor) drei verschiedene Anschlüsse — aber siehaben die Namen Source (analog zum Emitter), Drain (analog zum Kollektor) und Gate (analog zur Basis). In einem FET sind die Schichten vonn-Typ und p-Typ Silizium sind etwas anders angeordnet und mit Schichten aus Metall und Oxid beschichtet. Das gibt uns ein Gerät namens aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Obwohl sich zusätzliche Elektronen in der n-Source und im Drain befinden, können sie aufgrund der Löcher im p-Gate zwischen ihnen nicht von einem zum anderen fließen. Wenn wir jedoch eine positive anhängenspannung an das Gate wird dort ein elektrisches Feld erzeugt, das erlaubtelektronen fließen in einem dünnen Kanal von der Quelle zum Drain. Dieser „Feldeffekt“ lässt einen Strom fließen und schaltet den Transistor ein:

Der Vollständigkeit halber können wir feststellen, dass ein MOSFET ein Unipolartransistor ist, da nur eine Art („Polarität“) der elektrischen Ladung daran beteiligt ist, dass er funktioniert.

Wie funktionieren Transistoren in Taschenrechnern und Computern?

In der Praxis müssen Sie nichts über Elektronen und Löcher wissen, es sei denn, Sie entwerfen Computerchips für Ihren Lebensunterhalt! Alles, was Sie wissen müssen, ist, dass Eintransistor wie ein Verstärker oder ein Schalter funktioniert, der einen kleinen Strom verwendet, um einen größeren einzuschalten. Aber es gibt noch eine andere wissenswerte Sache: Wie hilft all dies Computern, Informationen zu speichern und Entscheidungen zu treffen?

Wir können ein paar Transistorschalter zusammenfügen, um so etwas wie ein Logikgatter zu machen, das mehrere vergleicht Eingangsströme und gibt als Ergebnis einen anderen Ausgang. Logikgatter lassen Computer treffensehr einfache Entscheidungen mit einer mathematischen Technik namens Boolesche Algebra. Ihr Gehirn trifft Entscheidungen auf die gleiche Weise. Zum Beispiel mit „Eingaben“ (Dinge, die Sie wissen) über das Wetter und was Sie habenIhr Flur, können Sie eine Entscheidung wie folgt treffen: „Wenn es regnet UND ich einen Regenschirm habe, gehe ich in die Geschäfte“. Das ist ein Beispiel für boolesche Algebra mit dem sogenannten UND“Operator“ (das Wort Operator ist nur ein bisschen mathematischer Jargon, um die Dinge komplizierter erscheinen zu lassen, als sie wirklich sind). Sie können makesimilar Entscheidungen mit anderen Betreibern. „Wenn es windig ist ODER schneit, ziehe ich einen Mantel an“ ist ein Beispiel für die Verwendung eines OR-Operators. Oder wie wäre es mit „Wenn es regnet UND ich einen Regenschirm habe ODER ich einen Mantel habe, dann ist es okay auszugehen“. Mit AND, OR und anderen Operatoren aufgerufennor, XOR, NOT und NAND können Computer Binärzahlen addieren oder vergleichen.Diese Idee ist der Grundstein von Computerprogrammen: die logische Reihe von Anweisungen, die Computer dazu bringen, Dinge zu tun.

Normalerweise ist ein Sperrschichttransistor „off“, wenn kein Basisstrom anliegt und schaltet auf „on“, wenn der Basisstrom fließt. Das bedeutet, dass es einen elektrischen Strom benötigt, um den Transistor ein- oder auszuschalten. Aber solche Transistoren können mit Logikgattern verbunden werden, so dass ihre Ausgangsverbindungen in ihre Eingänge zurückgeführt werden. Der Transistor bleibt dann auch dann eingeschaltet, wenn der Basisstrom entfernt wird. Jedes Mal, wenn ein neuer Basisstrom fließt, „flippt“ der Transistor ein oder aus. Es bleibt in einem dieser stabilen Zustände (entweder ein oder aus), bis ein anderer Strom kommt und es in die andere Richtung dreht. Diese Art der Anordnung wird als Flip-Flop bezeichnet und verwandelt einen Transistor in ein einfaches Speichergerät, das eine Null (wenn er ausgeschaltet ist) oder eine Eins (wenn er aus ist) speichert. Flip-Flops sind die grundlegende Technologie hinter Computer-Speicherchips.