Hoe wordt een transistor gemaakt?

Foto: een siliciumwafer. Foto met dank aan NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Transistors zijn gemaakt van silicium, een chemisch element dat in zand voorkomt en dat normaal gesproken niet leidt tot elektriciteit (het staat niet toe dat elektronen er gemakkelijk doorheen stromen).Silicium is een halfgeleider, wat betekent dat het niet echt een geleider is (zoiets als een metaal dat elektriciteit laat stromen) noch een isolator (zoiets als plastic dat elektriciteit stopt stromen). Als we silicium behandelen met onzuiverheden (een proces dat bekend staat als doping),kunnen we het op een andere manier laten gedragen. Als we silicium dopeeren met de chemische elementen arseen, fosfor of antimoon,krijgt het silicium wat extra “vrije” elektronen—degenen die een elektrische stroom kunnen dragen—zodat elektronen er natuurlijker uit zullen stromen. Omdat elektronen een negatieve lading hebben, wordt siliconbehandeld op deze manier n-type (negativetype) genoemd. We kunnen ook silicium dope met andere onzuiverheden zoals borium, gallium en aluminium. Silicium behandeld op deze manier heeft minder van die”vrije” elektronen, dus de elektronen in nabijgelegen materialen zullen de neiging om te stromen in het. We noemen dit soort silicium p-type (positief type).

snel, in het voorbijgaan, is het belangrijk om op te merken dat noch n-type of p-type silicium daadwerkelijk een lading op zich heeft: beide zijn elektrisch neutraal. Het is waar dat n-type silicium extra “vrije” elektronen heeft die zijn geleidbaarheid verhogen, terwijl P-type silicium minder van die vrije elektronen heeft, wat helpt om zijn geleidbaarheid op de tegenovergestelde manier te verhogen. In elk geval komt de extra geleidbaarheid van het toevoegen van neutrale (ongeladen) atomen onzuiverheden aan silicium dat neutraal was om mee te beginnen—en we kunnen GEEN elektrische ladingen uit het niets creëren! Voor een meer gedetailleerde uitleg zou ik een idee moeten introduceren genaamd bandtheorie, die een beetje buiten het bereik van dit artikel valt. Alles wat we moeten onthouden is dat” extra elektronen ” betekent extra vrije elektronen—degenen die vrij kunnen bewegen en helpen om een elektrische stroom te dragen.

silicium sandwiches

we hebben nu twee verschillende soorten silicium. Als we ze samenbrengen in lagen, sandwiches maken van P-en n-type materiaal, kunnen we verschillende soorten elektronische componenten maken die op allerlei manieren werken.

stel dat we een stuk n-type silicium verbinden met een stuk p-typesilicon en elektrische contacten aan weerszijden plaatsen. Spannende en nuttige dingen beginnen te gebeuren op de kruising tussen de tweematerialen. Als we op de stroom draaien, kunnen we elektronen door de verbinding laten stromen van de N-type zijde naar de P-type zijde en door het circuit. Dit gebeurt omdat het gebrek aan elektronen aan de p-type kant van dejunctie elektronen van de n-type kant trekt en vice versa. Maar als we de stroom omkeren, zullen de elektronen helemaal niet stromen. Wat we hier hebben gemaakt heet een diode (of gelijkrichter).het is een elektronisch onderdeel dat de stroom er in slechts één richting doorheen laat stromen. Het is nuttig als u wilt afwisselend (twee-weg) elektrische stroom indirecte (een-weg) stroom. Diodes kunnen ook worden gemaakt zodat ze offlight geven wanneer er elektriciteit doorheen stroomt. Je hebt misschien de lichtgevende diodes (LED ‘ s) gezien op zakrekenmachines en elektronische displays op hifi-stereo-apparatuur.

How a junction transistor works

Foto: een typische silicium PNP-transistor (een a1048 ontworpen als audiofrequentversterker).

stel nu dat we drie lagen silicium gebruiken in onze sandwich in plaats van twee. We kunnen ofwel een P-n-P sandwich maken (met een plakje n-typesilicon als vulling tussen twee plakjes p-type) of een n-p-nsandwich (met de p-type tussen de twee plakjes n-type). Als we elektrische contacten verbinden met alle drie de lagen van de sandwich, kunnen we een component maken die ofwel een stroom versterkt of schakelt op offf—met andere woorden, een transistor. Laten we eens kijken hoe het werkt in het geval van ann-p-n transistor.

zodat we weten waar we het over hebben, laten we namen geven aan de drieelektrische contacten. We noemen de twee contacten verbonden met de twee stukken van n-type silicium de zender en de collector,en het contact verbonden met het P-type silicium noemen we de basis. Wanneer er geen stroom in de transistor stroomt, weten we dat het P-type silicium een tekort aan elektronen heeft (hier getoond door de kleine plusteken, die positivecharges voorstellen) en dat de twee stukken n-type silicium extra elektronen hebben(getoond door de kleine minteken, die negatieve ladingen voorstellen).

een andere manier om dit te bekijken is om te zeggen dat terwijl het n-type een asurplus van elektronen heeft, het p-type gaten heeft waar elektronen moeten zijn. Normaal gesproken werken de gaten in de basis als een barrière, waardoor een significante stroomstroom van de zender naar de collector wordt voorkomen terwijl de transistor in zijn “uit” Staat.

een transistor werkt wanneer de elektronen en de gaten beginnen te bewegen over de twee kruispunten tussen het n-type en het P-type silicium.

laat de transistor verbinden tot een bepaalde macht. Stel dat we een kleine positieve spanning aan de basis hechten, de zender negatief geladen maken en de collector positief geladen maken. Elektronen worden getrokken van de emitter in de basis—en vervolgens van de basis in de collector. En de transistor schakelt over naar de” on”status:

De kleine stroom die we aan de basis aanzetten maakt een grote stroomstroom tussen de zender en de collector. Door een kleine inputstroom om te zetten in een grote uitgangsstroom, werkt de transistor als een versterker. Maar het werkt ook als een schakelaar op hetzelfde moment. Wanneer er geen stroom is aan de basis, stroomt er weinig of geen stroom tussen de collector en de emitter. Zet de basisstroom aan en een grote stroomstroom stroomt. De basisstroom schakelt de hele transistor aan en uit. Technisch gezien wordt dit type transistor bipolair genoemd omdat twee verschillende soorten (of” polariteiten”) elektrische lading (negatieve elektronen en positieve gaten) betrokken zijn bij het maken van de stroom.

We kunnen een transistor ook begrijpen door hem te zien als een paar diodes. Met de base positief en de emitter negatief, de base-emitter junction is als een forward-biaseddiode, met elektronen bewegen in een richting over de junctie (van links naar rechts in het diagram) en gaten gaan de tegenovergestelde richting (van rechts naar links). De basis-collectorjunctie is als een omgekeerde-bevooroordeelde diode. De positieve spanning van de collector trekt de meeste elektronen door en in het buitencircuit (hoewel sommige elektronen recombineren met gaten in de basis).

hoe een FET (field-effect transistor) werkt

alle transistors werken door de beweging van elektronen te regelen, maar niet allemaal op dezelfde manier. Net als een junction transistor heeft een FET(field effect transistor) drie verschillende terminals—maar ze hebben de namen source (analoog aan de emitter), drain(analoog aan de collector), en gate (analoog aan de base). In een FET zijn de lagen van n-type en p-type silicium op een iets andere manier gerangschikt en bedekt met lagen metaal en oxide. Dat geeft ons een apparaat genaamd aMOSFET (metaaloxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

hoewel er extra elektronen in de N-type bron en afvoer zitten,kunnen ze niet van de ene naar de andere stromen vanwege de gaten in de P-type poort ertussen. Echter, als we een positivevoltage hechten aan de poort, wordt er een elektrisch veld gecreëerd dat het mogelijk maaktelektronen te stromen in een dun kanaal van de bron naar de afvoer. Dit “veldeffect” laat een stroom stromen en schakelt de transistor aan:

omwille van de volledigheid kunnen we opmerken dat een MOSFET een unipolartransistor is omdat er slechts één soort (“polariteit”) elektrische lading bij betrokken is om het te laten werken.

Hoe werken transistoren in rekenmachines en computers?

in de praktijk hoef je niets te weten over elektronen en gaten tenzij je computerchips gaat ontwerpen voor je werk! Alles wat je moet weten is dat atransistor werkt als een versterker of een schakelaar, met behulp van een kleine stroom om te schakelen op een grotere. Maar er is nog iets dat het waard is om te weten: hoe helpt dit alles computers informatie op te slaan en beslissingen te nemen?

we kunnen een paar transistorschakelaars samenvoegen om iets een logische poort te maken, die verschillende inputstromen vergelijkt en daardoor een andere output geeft. Logic gates laat computers zeer eenvoudige beslissingen maken met behulp van een wiskundige techniek genaamd Booleaanse algebra. Je hersenen nemen beslissingen op dezelfde manier. Bijvoorbeeld, met behulp van “ingangen” (dingen die je weet) over het weer en wat je hebt inuw hal, kunt u een beslissing als deze: “Als het regent en ik heb een paraplu, ga ik naar de winkels”. Dat is een voorbeeld van Booleaanse algebra met behulp van wat heet een en “operator” (het woord operator is gewoon een beetje wiskundige jargon om dingen lijken ingewikkelder dan ze echt zijn). U kunt imilar beslissingen te maken met andere operators. “Als het winderig is of sneeuwt,dan zal ik een jas aantrekken” is een voorbeeld van het gebruik van een OR operator. Of wat dacht je van”als het regent en ik heb een paraplu of ik heb een jas dan is het oke om uit te gaan”. Met behulp van en,OR, en andere operators genaamd nor, XOR, niet, en NAND, computers kunnen optellen of te vergelijken binaire getallen.Dat idee is de basis van computerprogramma ‘ s: de logicalseries van instructies die computers dingen laten doen.

normaal gesproken is een junction transistor ” off “wanneer er geen basisstroom is en schakelt hij over op” on ” wanneer de basisstroom stroomt. Dat betekent dat het een elektrische stroom krijgt om de transistor in of uit te schakelen. Buttransistors zoals deze kunnen worden aangesloten met logische poorten zodat hun outputconnecties terug te voeren in hun ingangen. De transistorthen blijft aan, zelfs wanneer de basisstroom wordt verwijderd. Elke keer dat een newbasecurrent stroomt, “flipt” de transistor aan of uit. Het blijft in een van deze stabiele toestanden (aan of uit) totdat een andere stroom voorbijkomt en het de andere kant opdraait. Dit soort arrangement staat bekend als een flip-flop en het verandert atransistor in een simplememory apparaat dat een nul opslaat (wanneer het uit is) of een een (wanneer het on). Slippers zijn de basistechnologie achter computergeheugenchips.