How is a transistor made?

kuva: piikiekko. Kuva: NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

transistorit valmistetaan hiekassa olevasta kemiallisesta alkuaineesta piistä, joka ei normaalisti johda sähköä (se ei salli elektronien virrata sen läpi helposti).Pii on puolijohde, mikä tarkoittaa, että se ’ sneither todella aconductor (jotain metallia, joka antaa sähkön virtaus) eikä eriste (jotain muovia, joka pysäyttää sähkön virtaa). Jos käsittelemme piitä epäpuhtauksilla (prosessi tunnetaan dopingina),voimme saada sen käyttäytymään eri tavalla. Jos piitä huumataan arseenilla,fosforilla tai antimonilla, pii saa ylimääräisiä ”vapaita” elektroneja—sellaisia, jotka voivat kuljettaa sähkövirtaa—joten elektronit virtaavat siitä luonnollisemmin ulos. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, tällä tavalla käsiteltyä silikonia kutsutaan N-tyypiksi (negativetype). Voimme myös huumata piitä muiden epäpuhtauksien,kuten boorin, galliumin ja alumiinin kanssa. Näin käsitellyssä piissä on vähemmän noita”vapaita” elektroneja, joten läheisten materiaalien elektronit pyrkivät virtaamaan siihen. Kutsumme tällaista pii-P-tyyppiä (positiivinen tyyppi).

nopeasti ohimennen on tärkeää huomata, että kummallakaan n-tai p-tyypin piillä ei varsinaisesti ole varausta itsessään: molemmat ovat sähköisesti neutraaleja. On totta, että n-tyypin piillä on ylimääräisiä ”vapaita” elektroneja, jotka lisäävät sen johtavuutta, kun taas p-tyypin piillä on vähemmän näitä vapaita elektroneja, mikä auttaa lisäämään sen johtavuutta päinvastaisella tavalla. Kussakin tapauksessa ylimääräinen johtavuus tulee siitä, että piihin on lisätty neutraaleja (varaamattomia) epäpuhtausatomeja, jotka olivat aluksi neutraaleja—emmekä voi luoda sähkövarauksia tyhjästä! Tarkempi selitys vaatisi minua esittelemään ideakaistateorian, joka on hieman tämän artikkelin ulkopuolella. Meidän tarvitsee vain muistaa, että” ylimääräiset elektronit ” tarkoittavat ylimääräisiä vapaita elektroneja—sellaisia, jotka voivat liikkua vapaasti ja auttaa kantamaan sähkövirtaa.

Piileipiä

meillä on nyt kahta erilaista piitä. Jos laitamme ne yhteen kerroksittain, tehdä voileipiä p-tyypin ja n-tyypin materiaalista, voimme tehdäerilaisia elektronisia komponentteja, jotka toimivat kaikenlaisilla tavoilla.

Oletetaan, että liitämme n-tyypin piikappaleen p-tyypin piikoniin ja laitamme sähköiset kontaktit kummallekin puolelle. Jännittäviä ja hyödyllisiä asioita alkaa tapahtua risteyksessä kahden materiaalin. Jos käännämme virran, saamme elektronit virtaamaan liitoksen läpi n-tyypin puolelta p-tyypin puolelle ja ulos piirin läpi. Tämä pätee, koska elektronien puute p-tyypin puolella thejunction vetää elektroneja yli n-tyypin puolella ja päinvastoin. Mutta jos käännämme virran, elektronit eivät virtaa lainkaan. Tätä kutsutaan diodiksi (tai tasasuuntaajaksi), joka antaa virran virrata sen läpi vain yhteen suuntaan. Se on hyödyllistä, jos haluat kääntää vuorotellen (kaksisuuntainen) sähkövirta intodirect (yksisuuntainen) nykyinen. Diodeja voidaan myös tehdä niin, että ne antavat poisvalon, kun niiden läpi virtaa sähköä. Olet ehkä nähnyt theselight-emitting diodes (LED) taskulaskimet ja elektronicdisplays hi-fi stereo laitteet.

miten liitostransistori toimii

kuva: tyypillinen pii-PNP-transistori (äänitaajuusvahvistimeksi suunniteltu a1048).

nyt oletetaan, että käytämme voileivässämme kolmea piikerrosta kahden sijasta. Voimme tehdä joko P-n-p-voileivän (jonka täytteenä on kahden p-tyypin viipaleen välissä n-tyypin sämpylä) tai n-p-nsandwichin (jossa p-tyyppi on kahden n-tyypin sämpylän välissä). Jos yhdistämme sähköiset kontaktit kaikkiin kolmeen kerrokseen voileivän, voimme tehdä komponentin, joka joko vahvistaa virran tai vaihtaa sen oroff—toisin sanoen, transistori. Katsotaan, miten se toimii ann-P-n transistorin tapauksessa.

jotta tiedämme mistä puhumme, annetaan nimet kolmelle kontaktille. Kutsumme n-tyypin piihin liittyneitä kontakteja emitteriksi ja kerääjäksi,ja yhteyttä p-tyypin piihin, jota kutsumme tukikohdaksi. Kun nocurrent isflowing transistori, tiedämme p – tyypin pii on lyhyt ofelectrons(näkyy tässä vähän plus merkkejä, jotka edustavat positivecharges) ja kaksi kappaletta n-tyypin pii on ylimääräisiä elektroneja (näkyy vähän miinus merkkejä, jotka edustavat negatiivisia maksuja).

toinen tapa tarkastella tätä on sanoa, että vaikka n-tyypillä on elektronien asurplus, P-tyypillä on aukkoja, joissa elektronien pitäisi olla. Normaalisti reiät pohja toimivat kuin este, estäen anysimerkittävä virta virtaa emitteristä keräilijä whilethe transistori on sen ” off ” tilassa.

transistori toimii, kun elektronit ja reiät alkavat liikkua n-tyypin ja p-tyypin piin kahden liitoksen välillä.

kytketään transistori johonkin tehoon. Oletetaan, että kiinnitämme pienipositiivisen jännitteen pohjaan, teemme emitterin negatiivisesti varautuneeksi ja teemme kerääjän positiivisesti varautuneeksi. Elektronit vedetään emitteristä emitteriin-ja sitten emitteristä kerääjään. Anditransistori siirtyy ”on” – tilaansa:

pieni virta, jonka käynnistämme pohjassa, tekee suuren virran emitterin ja kerääjän välille. Kääntämällä pieni inputcurrent osaksi suuri Lähtövirta, transistori toimii kuin vahvistin. Mutta se toimii myös kytkimen tavoin samaan aikaan. Kun pohjavirtaa ei ole, virtaa keräimen ja lähettimen välillä vain vähän tai ei lainkaan. Käynnistä Pohjavirta ja iso virta virtaa. Niinpä Pohjavirta kytkee koko transistorin päälle ja pois päältä. Teknisesti, tämätyyppinen transistori kutsutaan kaksisuuntainen, koskakaksi erilaista (tai ”polariteetit”) sähkövarauksen (negatiiviset elektronit japositiiviset reiät) ovat mukana tekemässä virtaa.

transistorin voi ymmärtää myös ajattelemalla sitä diodiparin tavoin. Kun thebase positiivinen ja emitteri negatiivinen, base-emitteri liitos on kuin eteenpäin biaseddiodi, jossa elektronit liikkuvat yhteen suuntaan poikki liitoksen (vasemmalta oikealle kuvassa) ja reiät menevät vastakkaiseen suuntaan (oikealta vasemmalle). Base-collectorjunction on kuin käänteinen diodi. Keräimen positiivinen jännite vetää suurimman osan elektroneista läpi ja ulkopiiriin (vaikka jotkut elektronit eivät rekombinoidu emäksen reikien kanssa).

miten kenttäefektitransistori (FET) toimii

kaikki transistorit toimivat ohjaamalla elektronien liikettä, mutta kaikki eivät tee sitä samalla tavalla. Kuten junction transistori, Fet (field effect transistori) on kolme eri terminaalit—mutta heilläon nimet lähde(analoginen päästäjä), valua (analoginen thecollector), ja portti (analoginen pohja). Fet: ssä n-tyypin ja p-tyypin piikerrokset on järjestetty hieman eri tavalla ja päällystetty metalli-ja oksidikerroksilla. Tämä antaa meille laitteen nimeltä aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor Fieldefect Transistor).

vaikka N-tyypin lähteessä ja tyhjennyksessä on ylimääräisiä elektroneja, ne eivät voi virrata yhdestä toiseen niiden välissä olevien p-tyypin portin aukkojen vuoksi. Kuitenkin, jos kiinnitämme positivevoltage porttiin, sähkökenttä syntyy siellä, että sallittaanektronit virtaavat ohut kanava lähteestä viemäriin. Tämä ”kenttäefekti” mahdollistaa virran virtauksen ja kytkee transistorin päälle:

täydellisyyden vuoksi voitaisiin todeta, että MOSFET on unipolaarinen transistori, koska sen saa toimimaan vain yhdenlainen sähkövaraus (”napaisuus”).

miten transistorit toimivat laskimissa ja tietokoneissa?

käytännössä sinun ei tarvitse tietää mitään näistä elektroneista ja aukoista, ellet ole menossa suunnittelemaan tietokonesiruja työksesi! Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää on, että atransistori toimii kuten vahvistin tai kytkin, käyttäen pieni curretto kytkin suurempi. Mutta on vielä yksi asia kannattaa tietää:miten kaikki tämä auttaa tietokoneita tallentaa tietoja ja tehdä päätöksiä?

voimme laittaa muutaman transistori Kytkimet yhdessä tehdä somethingcalled logic gate, joka vertaa useita virtoja ja antaa eri lähtö seurauksena. Logiikka portit antaa tietokoneiden tehdäErittäin yksinkertaisia päätöksiä käyttäen matemaattista tekniikkaa kutsutaan Boolen algebra. Aivosi tekevät päätökset samalla tavalla. Esimerkiksi käyttämällä ”tuloa” (asioita tiedät) säästä ja mitä sinulla on eteisessä, voit tehdä päätöksen näin: ”Jos sataa ja minulla on sateenvarjo, menen sinne.” Tämä on esimerkki Boolen algebra käyttäen mitä kutsutaan ja ”operaattori” (sana operaattori on vain hieman matemaattista ammattikieltä tehdä asiat näyttävät monimutkaisempia kuin ne todella ovat). Voit tehdä samanlaisia päätöksiä muiden toimijoiden kanssa. ”Jos on tuulista tai sataa lunta,niin laitan takin päälle” isan esimerkki OR-operaattorin käytöstä. Tai miten olisi ”jos sataa ja minulla on sateenvarjo tai takki, niin on ihan ok mennä ulos”. Käyttämällä ja, tai, ja muut operaattorit kutsutaan nor, XOR, NOT, ja NAND, tietokoneet voivat laskea yhteen tai vertailla binäärilukuja.Tämä ajatus on tietokoneohjelmien peruskivi: logiikkasarjat ohjeista, jotka saavat tietokoneet tekemään asioita.

normaalisti liitostransistori on ”pois päältä”, kun pohjavirtaa ei ole ja siirtyy ”päälle”, kun Pohjavirta virtaa. Se tarkoittaa, että se ottaa sähkövirran transistorin kytkemiseksi päälle tai pois päältä. Buttransistorit kuten tämä voidaan kytkeä logiikan portit niin niiden outputconnections syöttää takaisin niiden tuloa. Transistorthen pysyy päällä silloinkin, kun Pohjavirta poistetaan. Joka kerta, kun uusi Pohjavirta virtaa, transistori ”flips” päälle tai pois päältä. Se pysyy jossakin näistä vakaista tiloista (joko päällä tai pois päältä), kunnes toinen virta seuraa ja kääntää sen toiseen suuntaan. Tällainen järjestely tunnetaan flip-flop ja se muuttuu transistorin simplememory laite, joka tallentaa nolla (kun se on pois päältä) tai yksi (kun se ’ son). Varvastossut ovat tietokoneen muistipiirien perustekniikka.