hogyan készül egy tranzisztor?

fotó: a wafer of silicon. Fotó: courtesy of NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

a tranzisztorok szilíciumból készülnek, amely a homokban található kémiai elem, amely általában nem vezetelektromos (ez nem teszi lehetővé az elektronok könnyű áramlását).A Szilícium egy félvezető, ami azt jelenti, hogyvagy nagyon félvezető (valami olyan, mint egy fém, amely lehetővé teszi az áramlást), sem aninszulátor (valami olyan, mint a műanyag, amely megállítja az áramlást). Ha a szilíciumot szennyeződésekkel kezeljük (a dopping néven ismert folyamat),másképp viselkedhetünk. Ha a szilíciumot az arzén, a foszfor vagy az antimon kémiai elemeivel doppingoljuk,akkor a szilícium extra “szabad” elektronokat nyer—olyanokat, amelyek elektromos áramot hordozhatnak—, így az elektronok természetesebben áramlanak ki belőle. Mivel az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, szilikátaz ilyen módon kezelt N-type (negativetype). A szilíciumot más szennyeződésekkel,például bórral, galliummal és alumíniummal is doppingolhatjuk. Az így kezelt szilíciumnak kevesebb” szabad ” elektronja van, így a közeli anyagokban lévő elektronok hajlamosak beleáramlani. Ezt a fajta Szilícium p-típust (pozitív típust) nevezzük.

gyorsan, elhaladva fontos megjegyezni, hogy sem az n-type, sem a p-type szilícium nem rendelkezik töltéssel önmagában: mindkettő elektromosan semleges. Igaz, hogy az n-típusú szilíciumnak extra “szabad” elektronjai vannak, amelyek növelik vezetőképességét, míg a p-típusú szilíciumnak kevesebb szabad elektronja van, ami ellentétes módon növeli vezetőképességét. Minden esetben, az extra vezetőképesség származik, hogy ki semleges (töltés) atomok a szennyeződések, hogy a szilikon, hogy semleges kezdeni—nem tudjuk létre elektromos töltések a semmiből! Egy részletesebb magyarázatra lenne szükségem, hogy bemutassak egy ötletet, a Theory-t, ami egy kicsit túlmutat a cikken. Csak arra kell emlékeznünk, hogy az “extra elektronok” extra szabad elektronokat jelentenek—olyanokat, amelyek szabadon mozoghatnak, és segítenek egy elektromos áram hordozásában.

Szilícium szendvicsek

most már két különböző típusú szilícium. Ha egymásra rakjuk őket, P-type és n-type anyagból készítünk szendvicseket, akkor különböző típusú elektronikai alkatrészeket készíthetünk, amelyek mindenféle módon működnek.

tegyük fel, hogy egy N-típusú szilíciumdarabhoz csatlakozunk egy P-típusú szilíciumdarabhoz, és elektromos érintkezőket helyezünk mindkét oldalra. Izgalmas és hasznos dolgok kezdődnek a két helyszín találkozásánál. Ha bekapcsoljuk az áramot, akkor az N-típusú oldalról a P-típusú oldalra, majd az áramkörön keresztül áramoltathatjuk az elektronokat. Ez azért fordul elő, mert a P-típusú oldalon lévő elektronok hiánya az N-típusú oldalról húzza az elektronokat, és fordítva. De ha megfordítjuk az áramot, az elektronok egyáltalán nem fognak áramolni. Amit itt készítettünk, az úgynevezett dióda (vagy egyenirányító).ez egy elektronikuskomponens, amely lehetővé teszi, hogy az áram csak egy irányban áramoljon rajta. Hasznos, ha váltakozó (kétirányú) elektromos áramot akar bekapcsolniközvetlen (egyirányú) áram. Diódák is készíthetők, így adnakvilágítás, amikor a villamos energia áramlik rajtuk keresztül. Lehet, hogy a zsebszámítógépeken és a hi-fi sztereó berendezéseken is láthatták ezeket a fénykibocsátó diódákat (LED-eket).

hogyan működik egy csomópont tranzisztor

fotó: egy tipikus Szilícium PNP tranzisztor (egy a1048 hangfrekvenciás erősítőként tervezték).

most tegyük fel, hogy a szendvicsünkben három réteg szilíciumot használunk, kettő helyett. Készíthetünk p-n-p szendvicset (egy szelet n-typesilicon töltelékként két p-típusú szelet között) vagy egy n-p-nsandwich-t (a P-type A két N-típusú tábla között). Ha csatlakozunk az elektromos érintkezőkhöz a szendvics mindhárom rétegéhez, akkor tudunkkészítsen egy olyan komponenst, amely vagy felerősíti az áramot, vagy bekapcsolja az oroff—ot-más szóval egy tranzisztort. Lássuk, hogyan működik az ann-p-n tranzisztor esetében.

tehát tudjuk, miről beszélünk, adjunk neveket A három elektronikus kapcsolatnak. Felhívjuk a két kapcsolatok csatlakozott a kétdarab az n-típusú szilícium-a kibocsátó, illetve a gyűjtő,a contactjoined, hogy a p-típusú szilícium felhívjuk a bázis. Amikor nocurrent isflowing a tranzisztor, tudjuk, hogy a p-típusú szilícium rövid ofelectrons (itt látható a kis plusz jeleket, ami positivecharges), valamint a két darab n-típusú szilícium extra elektronok(mutatja az a kis mínusz jel, ami negatív ellenében).

egy másik módja ennek, hogy azt mondják, hogy míg az n-type asurplus elektronok, a p-type lyukak, ahol electronsshould be. Normális esetben az Alapban lévő lyukak gátként működnek, megakadályozva bármelyiketjelentős áramáram áramlik az emitterről a kollektorra, míga tranzisztor ” off ” állapotban van.

a tranzisztor akkor működik, amikor az elektronok és a lyukak elkezdenek mozogni az N-type és a P-type Szilícium közötti két csomóponton.

csatlakoztassuk a tranzisztort bizonyos teljesítményig. Tegyük fel, hogy csatolunk egy kicsitpozitív feszültség az alaphoz, hogy az emitter negatív töltésű legyen, éshogy a kollektor pozitív töltésű legyen. Elektronok húzódnak aemitter az alapba-majd az alapból a kollektorba. A tranzisztor kapcsolók, hogy a “be” állapotban:

A kis folyó, hogy kapcsolja be a bázis nagy currentflow között a kibocsátó, illetve a gyűjtő. Egy kis bemenet forgatásávaláram nagy kimeneti árammá, a tranzisztor erősítőként működik. Ugyanakkor úgy is működik, mint egy kapcsoló. Ha nincs áram a bázison, akkor a kollektor és a mérő között kevés vagy egyáltalán nincs áram. Kapcsolja be az alapáramot és a nagy áramáramot. Tehát az alapáram az egész tranzisztort be-és kikapcsolja. Technikailag eza tranzisztor típusát bipolárisnak nevezikkét különböző típusú (vagy” polaritás”) elektromos töltés (negatív elektronok éspozitív lyukak) vesznek részt az áram áramlásában.

megérthetjük a tranzisztort is, ha úgy gondolunk rá, mint egy pár dióda. A pozitív és az emitter negatív bázis-emitter csomópont olyan, mint egy előre-biaseddióda, az elektronok egy irányban mozognak a csomóponton (balról jobbra), a lyukak pedig az ellenkező irányba haladnak (jobbról balra). Az alapgyűjtő funkció olyan, mint egy fordított elfogult dióda. A kollektor pozitív feszültsége húzódikaz elektronok nagy része a külső áramkörön keresztül vagy a külső áramkörbe (bár egyes elektronok rekombinálódnak a bázis lyukaival).

hogyan működik egy térhatású tranzisztor (FET)

minden tranzisztor az elektronok mozgásának szabályozásával működik, denem mindegyik ugyanúgy csinálja. Mint egy csomópont tranzisztor, a FET (field effect transistor) három különböző terminálok—de őkvannak a nevek forrás (analóg a kibocsátó), csatorna(analóg thecollector), és kapu (analóg a bázis). A FET-ben az N-típusú és a p-típusú szilícium rétegei kissé eltérő módon vannak elrendezve, és fém-és oxidrétegekkel vannak bevonva. Ez ad nekünk egy amosfet nevű eszközt (fém-oxid félvezető FieldEffect tranzisztor).

a MOSFET off módban megjelenő grafikája bár az n-type forrás és a drain extra elektronok vannak,nem tudnak egyikről a másikra áramolni a köztük lévő P-típusú kapu lyukai miatt. Ha azonban pozitívak vagyunk. feszültség a kapuhoz, ott létrejön egy elektromos mező, amely lehetővé teszielektronok egy vékony csatornában áramolhatnak a forrásból a lefolyóba. Ez a “mezőhatás” lehetővé teszi az áram áramlását, majd bekapcsolja a tranzisztort:

a teljesség kedvéért, meg tudtuk jegyezni, hogy a MOSFET egy unipolartranzisztor, mert csak egy fajta (“polaritás”) elektromos töltés részt vesz abban, hogy ez a munka.

hogyan működnek a tranzisztorok számológépekben és számítógépekben?

a gyakorlatban semmit sem kell tudni erről a dologról és a lyukakról, hacsak nem a számítógépes chipek tervezéséből élsz! Mindössze annyit kell tudnia, hogy atranzisztor úgy működik, mint egy erősítő vagy egy kapcsoló, egy kis áram használatávalhogy bekapcsoljon egy nagyobbat. De van még egy dolog, amit érdemes tudni:hogyan segít mindez a számítógépeknek az információk tárolásában és a döntések meghozatalában?

össze tudunk rakni néhány Tranzisztoros kapcsolót, hogy valami logikai kapu legyen, amely több bemeneti áramot hasonlít össze, és ennek eredményeként más kimenetet ad. A logikai kapuk lehetővé teszik a számítógépeknekminden egyszerű döntés egy logikai algebra nevű matematikai technikával. Az agyad ugyanúgy dönt. Például, a “bemenetek” (dolog, amit tudsz) az időjárás, amit a folyosón, akkor lehet, hogy egy ilyen döntést: “Ha esik az eső, és van egy esernyőm, elmegyek a boltokba”. Ez egy példa a logikai algebra segítségével az úgynevezett és “operátor” (a szó operátor csak egy kicsit a matematikai zsargon tomake dolgok úgy tűnik, bonyolultabb, mint valójában). Hasonló döntéseket hozhat más szolgáltatókkal. “Ha szeles vagy havazik, akkor felveszek egy kabátot” egy példa egy vagy operátor használatára. Vagy mi lenne, ha “ha esik az eső és esernyő van, vagy van egy kabátom, akkor rendben van, hogy menjen ki”. És, vagy, és más operátorok calledNOR, XOR, nem, és NAND, számítógépek összeadhatják vagy összehasonlíthatják a bináris számokat.Ez az ötlet a számítógépes programok alapköve: a logikusaz utasítások sorozata, amelyek a számítógépeket dolgokká teszik.

normál esetben a csomópont tranzisztor “ki van kapcsolva”, ha nincs alapáram, és” be ” – re kapcsol, amikor az alapáram áramlik. Ez azt jelenti, hogy elektromos áramot vesz fel a tranzisztor be-vagy kikapcsolásához. De az ilyen tranzisztorokat logikai kapukkal lehet összekapcsolni, így a kimenetek visszakerülnek a bemeneteikbe. A transistorthen akkor is bekapcsolva marad, ha az alapáramot eltávolítják. Minden alkalommal, amikor egy újaz áram folyik, a tranzisztor be-vagy kikapcsolja. Az egyik stabil állapotban marad (be-vagy kikapcsolt állapotban), amíg egy másik áramlat a másik irányba nem mozdul. Ez a fajta hangszerelés flip-flop néven ismert, és az atransistort egy szimplemememóriás eszközré alakítja, amely egy nullát (ha ki van kapcsolva) vagy egy (ha ki van kapcsolva) tárol. A Flip-flopok a számítógépes memória chipek alapvető technológiája.