Hvordan er en transistor laget?

Foto: en wafer av silisium. Foto av høflighet AV NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).Transistorer er laget av silisium, et kjemisk element som finnes i sand, som normalt ikke lederelektrisitet (det tillater ikke elektroner å strømme gjennom det lett).Silisium er en halvleder, noe som betyr at det erverken virkelig aconductor (noe som et metall som lar strømmen flyte) eller anisolator (noe som plast som stopper strømmen). Hvis vi behandler silisium med urenheter (en prosess kjent som doping),kan vi få det til å oppføre seg på en annen måte. Hvis vi dope silisium med de kjemiske elementene arsen, fosfor eller antimon, får silisiumet noen ekstra «frie» elektroner-de som kan bære en elektrisk strøm – slik at elektroner vil strømme ut av det mer naturlig. Fordi elektroner har en negativ ladning, kalles silikonbehandlet på denne måten n-type (negativetype). Vi kan også dope silisium med andre urenheter som bor, gallium og aluminium. Silisium behandlet på denne måten har færre av de»frie» elektronene, så elektronene i nærliggende materialer vil ha en tendens til å strømme inn i den. Vi kaller denne typen silisium p-type (positiv type).

Raskt, i forbifarten, er det viktig å merke seg at verken n-type eller p-type silisium faktisk har en ladning i seg selv: begge er elektrisk nøytrale. Det er sant at n-type silisium har ekstra «frie» elektroner som øker ledningsevnen, mens p-type silisium har færre av de frie elektronene, noe som bidrar til å øke ledningsevnen på motsatt måte. I hvert tilfelle kommer den ekstra ledningsevnen fra å ha tilsatt nøytrale (uladede) atomer av urenheter til silisium som var nøytral til å begynne med-og vi kan ikke lage elektriske ladninger ut av tynn luft! En mer detaljert forklaring ville trenge meg til å introdusere en ide som heterband theory, som er litt utenfor rammen av denne artikkelen. Alt vi trenger å huske er at «ekstra elektroner» betyr ekstra frie elektroner-de som fritt kan bevege seg og bidra til å bære en elektrisk strøm.

silisium smørbrød

Vi har nå to forskjellige typer silisium. Hvis vi legger dem sammeni lag, lage smørbrød av p-type og n-type materiale, kan vi lageulike typer elektroniske komponenter som fungerer i alle slagsmåter.

Anta at vi går med et stykke n-type silisium til et stykke p-typesilisium og legger elektriske kontakter på hver side. Spennende og nyttigting begynner å skje ved krysset mellom de tomaterialer. Hvis vi slår på strømmen, kan vi få elektroner til å strømme gjennom krysset fraen n-type side til p-type side og ut gjennom kretsen. Dette skjer fordi mangelen på elektroner på p-type siden av funksjonen trekker elektroner over fra n-type siden og omvendt. Hvis vi reverserer strømmen, vil elektronene ikke strømme i det hele tatt. Det vi har gjort her kalles en diode (eller likeretter).Det er en elektroniskkomponent som lar strømmen strømme gjennom den i bare en retning. Det er nyttig hvis du vil slå vekslende (toveis) elektrisk strøm inn i direkte (enveis) strøm. Dioder kan også gjøres slik at de gir avlys når strøm strømmer gjennom dem. Du har kanskje sett disselysemitterende dioder (Lysdioder) på lommekalkulatorer og elektroniskdisplays på hi-fi stereoutstyr.

Hvordan en kryss transistor fungerer

Foto: en typisk silisium pnp transistor (En A1048 utformet som en lydfrekvensforsterker).

anta nå at vi bruker tre lag silisium i vår sandwich i stedetav to. Vi kan enten lage en p-n-p sandwich (med et stykke n-typesilicon som fylling mellom to skiver av p-type) eller en n-p-nsandwich (med p-typen mellom de to platene av n-type). Hvis vi blir med i elektriske kontakter til alle tre lagene i smørbrød, kan vilage en komponent som enten forsterker en strøm eller slår den på oroff-med andre ord en transistor. La oss se hvordan det fungerer i tilfelle av ann-p – n transistor.

Så vi vet hva vi snakker om, la oss gi navn til de treelektriske kontakter. Vi kaller de to kontaktene som er koblet til de tobiter av n-type silisium emitteren og samleren,og kontaktensammen med p-type silisium vi kaller basen. Når nocurrent isflowing i transistoren, vet vi at p-type silisium er kort ofelectrons (vist her ved de små plusskiltene, som representerer positivecharges) og de to delene av n-type silisium har ekstra elektroner (vist av de små minustegnene, som representerer negative ladninger).

En Annen måte å se på dette på er å si at mens n-typen har enoverskudd av elektroner, har p-typen hull hvor elektronerb skal være. Normalt fungerer hullene i basen som en barriere, og forhindrer noebetydelig strøm fra emitteren til samleren menstransistoren er i sin» av » tilstand.en transistor virker når elektronene og hullene begynner å bevege seg over de to kryssene mellom n-type og p-type silisium.

la osskoble transistoren opp til litt strøm. Anta at vi legger til en litenpositiv spenning til basen, gjør emitteren negativt ladet, oggjør kollektoren positivt ladet. Elektroner trekkes fraemitter inn i basen – og deretter fra basen inn i oppsamleren. Andthe transistor bytter til sin» på «tilstand:

den lille strømmen som vi slår på ved basen, gjør en stor strømstrøm mellom emitteren og samleren. Ved å snu en liten inngangstrøm til en stor utgangsstrøm, fungerer transistoren som en forsterker. Mendet fungerer også som en bryter samtidig. Når det ikke er strøm tilbasen, liten eller ingen strøm strømmer mellom kollektoren og theemitter. Slå på basestrømmen og en stor strøm flyter. Så basestrømmen slår hele transistoren på og av. Teknisk, dettetype transistor kalles bipolar fordito forskjellige typer (eller «polariteter») av elektrisk ladning (negative elektroner ogpositive hull) er involvert i å gjøre strømmen.

Vi kan også forstå en transistor ved å tenke på det som et par dioder. Med base positiv og emitteren negativ, er base-emitterkrysset som en foroverforspentdiode, med elektroner som beveger seg i en retning over krysset (fra venstre til høyre iskjemaet) og hull går motsatt vei (fra høyre til venstre). Base-collectorjunction er som en omvendt forspent diode. Den positive spenningen til kollektoren trekkerde fleste elektronene gjennom og inn i ytterkretsen (selv om noen elektroner rekombinerer med hull i basen).

hvordan en felt-effekt transistor (FET) fungerer

Alle transistorer fungerer ved å kontrollere bevegelsen av elektroner, menikke alle gjør det på samme måte. SOM en krysstransistor har EN FET(field effect transistor) tre forskjellige terminaler – men de har navnene source(analogt med emitteren), drain (analogt med thecollector) og gate (analogt med basen). I EN FET, lag avn-type og p-type silisium er arrangert på en litt annen måte ogbelagt med lag av metall og oksid. Det gir oss en enhet kalt aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Selv om det er ekstra elektroner i n-type kilde og avløp,kan de ikke strømme fra den ene til den andre på grunn av hullene i p-type porten mellom dem. Men hvis vi legger til en positivspenning til porten, opprettes et elektrisk felt der det tillater detelektroner å strømme i en tynn kanal fra kilden til avløpet. Denne «felteffekten» tillater en strøm å strømme og slår transistoren på:

For fullstendighetens skyld kan vi merke at EN MOSFET er en unipolartransistor fordi bare en type («polaritet») av elektrisk ladning er involvert i å få det til å fungere.

hvordan fungerer transistorer i kalkulatorer og datamaskiner?

i praksis trenger du ikke å vite noe av dette omelektroner og hull, med mindre du går for å designe databrikker for å leve! Alt du trenger å vite er at atransistor fungerer som en forsterker eller en bryter, med en liten strømå slå på en større. Men det er en annen ting verdt å vite: hvordan hjelper alt dette datamaskiner med å lagre informasjon og ta beslutninger?

Vi kan sette noen transistorbrytere sammen for å gjøre noekalt en logisk port, som sammenligner flereinngangsstrømmer og gir en annen utgang som et resultat. Logiske porter lar datamaskiner gjøreveldig enkle beslutninger ved hjelp av en matematisk teknikk kalt Boolsk algebra. Hjernen din tar avgjørelser på samme måte. For eksempel bruker du «innganger» (ting du vet) om været og hva du har idin gang, du kan ta en beslutning som dette: «Hvis det regner OG Jeghar en paraply, vil jeg gå tilbutikker». Det er et eksempel På Boolsk algebra ved hjelp av det som kalles en og » operatør «(ordet operatør er bare litt matematisk jargong for å få ting til å virke mer komplisert enn de egentlig er). Du kan lagelignende beslutninger med andre operatører. «Hvis det er vind ELLER det snør,så legger jeg på en frakk» eret eksempel PÅ BRUK AV en eller-operatør. Eller hva med «hvis det regner OG Jeg Har en paraply ELLER jeg har en frakk, så er det greit å gå ut». Ved HJELP AV AND,OR og andre operatorer kalt nor, XOR, NOT og NAND, kan datamaskiner legge opp eller sammenligne binære tall.Den ideen er grunnsteinen til dataprogrammer: logicalserie av instruksjoner som gjør datamaskiner til å gjøre ting.Normalt er en krysstransistor » av «når det ikke er noen basestrøm og bytter til» på » når basestrømmen flyter. Det betyr ittakes en elektrisk strøm for å slå transistoren på eller av. Buttransistorer som dette kan kobles opp med logiske porter slik at deres outputconnections feed tilbake i sine innganger. Transistoren forblir deretter på selv når basestrømmen er fjernet. Hver gang en nybasestrøm strømmer, transistoren «flipper» på eller av. Det forblir i en av de stabile tilstandene (enten på eller av) til en annen strømkommer sammen og flipper den den andre veien. Denne typen arrangemener kjent som en flip-flop og det blir atransistor til en simplememory enhet som lagrer null (når den er av) eller en (når den er på). Flip-flops er den grunnleggende teknologien bak datamaskinens minnebrikker.