Come è fatto un transistor?

Foto: Un wafer di silicio. Foto per gentile concessione della NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

I transistor sono fatti di silicio, un elemento chimico che si trova nella sabbia, che normalmente non conduce elettricità (non consente agli elettroni di fluire facilmente attraverso di essa).Il silicio è un semiconduttore, il che significa che non è né un vero aconduttore (qualcosa come un metallo che lascia fluire l’elettricità) né un isolante (qualcosa come la plastica che smette di scorrere l’elettricità). Se trattiamo il silicio con impurità (un processo noto come doping),possiamo farlo comportarsi in modo diverso. Se droghiamo il silicio con gli elementi chimici arsenico,fosforo o antimonio, il silicio guadagna alcuni elettroni “liberi” extra—quelli che possono trasportare una corrente elettrica—così gli elettroni fluiranno fuori di esso in modo più naturale. Poiché gli elettroni hanno una carica negativa, il siliconetrattato in questo modo è chiamato n-type (negativetype). Possiamo anche drogare il silicio con altre impurità come boro,gallio e alluminio. Il silicio trattato in questo modo ha meno di quegli elettroni”liberi”, quindi gli elettroni nei materiali vicini tenderanno a fluire in esso. Chiamiamo questo tipo di silicio p-type (tipo positivo).

Rapidamente, di passaggio, è importante notare che né il silicio di tipo n né il silicio di tipo p hanno effettivamente una carica in sé: entrambi sono elettricamente neutri. È vero che il silicio di tipo n ha elettroni “liberi” in più che aumentano la sua conduttività, mentre il silicio di tipo p ha meno di quegli elettroni liberi, il che aiuta ad aumentare la sua conduttività nel modo opposto. In ogni caso, la conduttività extra deriva dall’aver aggiunto atomi neutri (non caricati) di impurità al silicio che era neutro per cominciare—e non possiamo creare cariche elettriche dal nulla! Una spiegazione più dettagliata avrebbe bisogno di me per introdurre un’idea calledband theory, che è un po ‘ oltre lo scopo di questo articolo. Tutto quello che dobbiamo ricordare è che “elettroni extra” significa elettroni liberi extra—quelli che possono muoversi liberamente e aiutare a trasportare una corrente elettrica.

Panini al silicio

Ora abbiamo due diversi tipi di silicio. Se li mettiamo insieme in strati, facendo panini di tipo p e materiale di tipo n, possiamo fare diversi tipi di componenti elettronici che funzionano in tutti i tipi di modi.

Supponiamo di unire un pezzo di silicio di tipo n a un pezzo di silicio di tipo p e mettere i contatti elettrici su entrambi i lati. Le cose eccitanti e utili iniziano ad accadere all’incrocio tra i due materiali. Se giriamo sulla corrente, possiamo far fluire gli elettroni attraverso la giunzione dal lato di tipo n al lato di tipo p e fuori attraverso il circuito. Thishappens perché la mancanza di elettroni sul lato di tipo p della thejunction tira gli elettroni dal lato di tipo n e viceversa. Ma se invertiamo la corrente, gli elettroni non fluiranno affatto. Quello che abbiamo fatto qui è chiamato un diodo (o raddrizzatore).È un componente elettronico che lascia fluire la corrente attraverso di esso in una sola direzione. It’suseful se si desidera attivare alternata (a due vie) corrente elettrica intodirect (unidirezionale) corrente. I diodi possono anche essere fatti in modo che emettano offlight quando l’elettricità scorre attraverso di loro. Potreste aver visto theselight-emitting diodes (LED) su calcolatrici tascabili e electronicdisplays su apparecchiature stereo hi-fi.

Come funziona un transistor a giunzione

Foto: Un tipico transistor PNP al silicio (un A1048 progettato come amplificatore di frequenza audio).

Ora supponiamo di utilizzare tre strati di silicio nel nostro sandwich invece di due. Possiamo fare un panino p-n-p (con una fetta di n-typesilicon come riempimento tra due fette di tipo p) o un n-p-nsandwich (con il tipo p tra le due lastre di tipo n). Se ci uniamo ai contatti elettrici a tutti e tre gli strati del sandwich, possiamo creare un componente che amplificherà una corrente o la accenderà off-in altre parole, un transistor. Vediamo come funziona nel caso del transistor ann-p-N.

Quindi sappiamo di cosa stiamo parlando, diamo nomi ai trecontatti elettrici. Chiameremo i due contatti uniti ai due pezzi di silicio di tipo n l’emettitore e il collettore, e il contatto unito al silicio di tipo p chiameremo la base. Quando la corrente non scorre nel transistor, sappiamo che il silicio di tipo p è a corto di elettroni(mostrato qui dai piccoli segni più, che rappresentano cariche positive) e i due pezzi di silicio di tipo n hanno elettroni extra (mostrati dai piccoli segni meno, che rappresentano cariche negative).

Un altro modo di guardare a questo è dire che mentre il tipo n ha asurplus di elettroni, il tipo p ha fori dove dovrebbero essere gli elettroni. Normalmente, i fori nella base agiscono come una barriera, impedendo anysignificant flusso di corrente dall’emettitore al collettore whilethe transistor è nel suo stato “off”.

Un transistor funziona quando gli elettroni e i fori iniziano a muoversi attraverso le due giunzioni tra il silicio di tipo n e il silicio di tipo P.

Colleghiamo il transistor a una certa potenza. Supponiamo di collegare una piccola tensione positiva alla base, rendere l’emettitore caricato negativamente, erendere il collettore caricato positivamente. Gli elettroni vengono tirati dalemettitore nella base-e poi dalla base nel collettore. Andthe transistor commuta al suo stato “on”:

La piccola corrente che accendiamo alla base crea un grande flusso di corrente tra l’emettitore e il collettore. Trasformando un piccolo inputcurrent in una grande corrente di uscita, il transistor agisce come un amplificatore. Ma agisce anche come un interruttore allo stesso tempo. Quando non c’è corrente alla base, poca o nessuna corrente scorre tra il collettore e l’emettitore. Accendere la corrente di base e un grande flusso di corrente. Quindi la corrente di base accende e spegne l’intero transistor. Tecnicamente, questo tipo di transistor è chiamato bipolare perchédue tipi diversi (o” polarità”) di carica elettrica (elettroni negativi e fori positivi) sono coinvolti nella realizzazione del flusso di corrente.

Possiamo anche capire un transistor pensandolo come una coppia di diodi. Con la base positiva e l’emettitore negativo, la giunzione base-emettitore è come un biaseddiode in avanti, con elettroni che si muovono in una direzione attraverso la giunzione (da sinistra a destra nel diagramma) e fori che vanno nella direzione opposta (da destra a sinistra). La funzione base-collectorjunction è come un diodo a polarizzazione inversa. La tensione positiva del collettore tira la maggior parte degli elettroni attraverso e nel circuito esterno (anche se alcuni elettroni si ricombinano con fori nella base).

Come funziona un transistor ad effetto di campo (FET)

Tutti i transistor funzionano controllando il movimento degli elettroni, manon tutti lo fanno allo stesso modo. Come un transistor a giunzione, un FET (transistor ad effetto di campo) ha tre terminali diversi—ma hanno i nomi source(analogo all’emettitore), drain (analogo al collettore) e gate (analogo alla base). In un FET, gli strati di silicio di tipo n e p sono disposti in modo leggermente diverso e rivestiti con strati di metallo e ossido. Questo ci dà un dispositivo chiamato aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Sebbene ci siano elettroni extra nella sorgente e nel drain di tipo n,non possono fluire da uno all’altro a causa dei fori nel gate di tipo p tra di loro. Tuttavia, se attacchiamo un positivovoltage al cancello, viene creato un campo elettrico che consente agli elettroni di fluire in un canale sottile dalla sorgente allo scarico. Questo “effetto di campo” consente a una corrente di fluire e accende il transistor:

Per completezza, potremmo notare che un MOSFET è un unipolartransistor perché solo un tipo (“polarità”)di carica elettrica è coinvolto nel farlo funzionare.

Come funzionano i transistor nelle calcolatrici e nei computer?

In pratica, non è necessario conoscere nessuna di queste cose suelettroni e buchi a meno che tu non stia andando a progettare chip per computer per vivere! Tutto quello che devi sapere è che un transistor funziona come un amplificatore o un interruttore, usando una piccola correnteper accenderne uno più grande. Ma c’è un’altra cosa che vale la pena sapere: in che modo tutto questo aiuta i computer a immagazzinareinformazioni e prendere decisioni?

Possiamo mettere insieme alcuni interruttori a transistor per creare qualcosa chiamato porta logica, che confronta diverse correnti di input e fornisce un output diverso come risultato. Le porte logiche consentono ai computer di prendere decisioni molto semplici usando una tecnica matematica chiamata algebra booleana. Il tuo cervello prende le decisioni allo stesso modo. Ad esempio, usando “input” (cose che conosci) sul tempo e su ciò che hai inil tuo corridoio, puoi prendere una decisione come questa: “Se piove E ho un ombrello, andrò ai negozi”. Questo è un esempio di algebra booleana che usa quello che viene chiamato”operatore” E “operatore” (la parola operatore è solo un po ‘ di gergo matematico per far sembrare le cose più complicate di quanto non siano realmente). Puoi prendere decisioni simili con altri operatori. “Se c’è vento O nevica,allora indosserò un cappotto” èun esempio di utilizzo di un operatore OR. O che ne dici di “Se piove E ho un ombrello O ho un cappotto, allora va bene uscire”. Utilizzando AND, OR e altri operatori chiamatinor, XOR, NOT e NAND, i computer possono sommare o confrontare i numeri binari.Questa idea è la prima pietra dei programmi per computer: la serie logica di istruzioni che fanno fare le cose ai computer.

Normalmente, un transistor a giunzione è ” off ” quando non c’è corrente di base e passa a “on” quando la corrente di base scorre. Ciò significa che richiede una corrente elettrica per accendere o spegnere il transistor. Buttransistors come questo può essere collegato con porte logiche in modo che le loro outputconnections si reinseriscano nei loro input. Il transistor rimane acceso anche quando la corrente di base viene rimossa. Ogni volta che un newbasecurrent scorre, il transistor” ribalta ” on o off. Rimane in uno degli stati stabili (acceso o spento) fino a quando un’altra corrente non arriva e la ribalta dall’altra parte. Questo tipo di arrangementis noto come flip-flop e trasforma un transistor in un dispositivo di memoria semplice che memorizza uno zero (quando è spento) o uno (quando è spento). Le infradito sono la tecnologia di base dietro i chip di memoria del computer.