jak powstaje tranzystor?

fot. wafel krzemowy. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Tranzystory są wykonane z krzemu, pierwiastka chemicznego występującego w piasku, który normalnie nie przewodzi elektronów (nie pozwala na łatwe przepływanie przez nie elektronów).Krzem jest półprzewodnikiem, co oznacza, że nie jest on tak naprawdę przewodnikiem (coś w rodzaju metalu, który umożliwia przepływ prądu) ani insulatorem (coś w rodzaju plastiku, który zatrzymuje przepływ prądu). Jeśli traktujemy krzem z zanieczyszczeniami (proces znany jako doping),możemy sprawić, że zachowa się on w inny sposób. Jeśli dodamy do krzemu pierwiastki chemiczne arsen, fosfor lub antymon,krzem zyskuje dodatkowe „wolne” elektrony—takie, które mogą przenosić prąd elektryczny—więc elektrony będą wypływać z niego bardziej naturalnie. Ze względu na to, że elektrony mają ładunek ujemny, silikon w ten sposób nazywany jest typem N (negativetype). Możemy również dodawać krzem do innych zanieczyszczeń,takich jak bor, gal i aluminium. Krzem potraktowany w ten sposób ma mniej tych „wolnych” elektronów, więc elektrony w pobliskich materiałach będą miały tendencję do przepływu do niego. Nazywamy ten rodzaj krzemu typu P (typu dodatniego).

szybko, na marginesie, ważne jest, aby zauważyć, że ani krzem typu n, ani krzem typu p nie mają ładunku samego w sobie: oba są elektrycznie neutralne. To prawda, że krzem typu n ma dodatkowe” wolne ” elektrony, które zwiększają jego przewodność, podczas gdy krzem typu p ma mniej tych wolnych elektronów, co pomaga zwiększyć jego przewodność w przeciwny sposób. W każdym przypadku dodatkowa przewodność wynika z dodania neutralnych (niezaładowanych) atomów zanieczyszczeń do krzemu, który był neutralny-i nie możemy tworzyć ładunków elektrycznych z powietrza! Bardziej szczegółowe wyjaśnienie wymagałoby wprowadzenia pomysłu zwanego teorią, który nieco wykracza poza zakres tego artykułu. Musimy tylko pamiętać, że” dodatkowe elektrony ” oznaczają dodatkowe wolne elektrony—takie, które mogą swobodnie poruszać się i pomagać w przenoszeniu prądu elektrycznego.

krzemowe kanapki

mamy teraz dwa różne rodzaje krzemu. Jeśli umieścimy je razem w warstwach, tworząc kanapki z materiału typu p I N, możemy wykonać różne rodzaje komponentów elektronicznych, które działają we wszystkich rodzajach dróg.

Załóżmy, że połączymy kawałek krzemu typu n z kawałkiem krzemu typu p i umieścimy styki Elektryczne po obu stronach. Ekscytujące i użyteczne rzeczy zaczynają się dziać na styku dwóch materiałów. Jeśli obrócimy prąd, możemy sprawić, że elektrony przepłyną przez złącze od strony typu n do strony typu p i wyjdą przez obwód. Dzieje się tak dlatego, że brak elektronów po stronie typu p przyciąga elektrony po stronie typu n i odwrotnie. Ale jeśli odwrócimy prąd, elektrony w ogóle nie będą płynąć. To, co tu mamy, nazywa się diodą (lub prostownikiem). jest to komponent elektroniczny, który umożliwia przepływ prądu przez nią tylko w jednym kierunku. Jest to przydatne, jeśli chcesz zamienić prąd elektryczny przemienny (dwukierunkowy) w prąd bezpośredni (jednokierunkowy). Diody mogą być również wykonane tak, że dają światło, gdy przepływa przez nie Prąd. Być może widziałeś te diody elektroluminescencyjne (LED) na kalkulatorach kieszonkowych i wyświetlacze elektroniczne na sprzęcie stereo hi-fi.

jak działa tranzystor złączowy

Zdjęcie: typowy krzemowy Tranzystor PNP (a1048 zaprojektowany jako wzmacniacz częstotliwości audio).

teraz Załóżmy, że używamy trzech warstw krzemu w naszej kanapce zamiast dwóch. Możemy albo zrobić kanapkę p-N-P (z kawałkiem n-typu jako wypełnieniem między dwoma plastrami typu p), albo N-P-nsandwich (z typem p pomiędzy dwoma płytami typu n). Jeśli wejoin styka się elektrycznie ze wszystkimi trzema warstwami kanapki, możemy stworzyć komponent, który albo wzmocni prąd, albo włączy go oroff—innymi słowy, tranzystor. Zobaczmy, jak to działa w przypadku tranzystora ann-p-n.

więc wiemy o czym mówimy, nadajmy nazwy trzem kontaktom. Dwa styki połączone z dwoma silikonami typu N nazywamy emiterem i kolektorem, a styk połączony z silikonem typu p nazywamy bazą. Kiedy w tranzystorze płynie prąd nocny, wiemy, że krzemu typu p brakuje elektronów(pokazanych tutaj przez małe znaki plus, reprezentujące ładunki dodatnie), a dwa kawałki krzemu typu n mają dodatkowe elektrony (pokazane przez małe znaki minus, reprezentujące ładunki ujemne).

innym sposobem patrzenia na to jest stwierdzenie, że podczas gdy typ n ma więcej elektronów, typ p ma dziury, w których powinny być elektrony. Normalnie otwory w podstawie działają jak bariera, uniemożliwiając jakikolwiek znaczący przepływ prądu z emitera do kolektora, gdy tranzystor jest w stanie „off”.

tranzystor działa, gdy elektrony i dziury zaczynają się poruszać przez dwa połączenia między krzemem typu n I p.

Podłączmy tranzystor do pewnej mocy. Załóżmy, że podłączymy małe napięcie dodatnie do bazy, sprawimy, że emiter będzie Ujemnie naładowany, a kolektor będzie dodatnio naładowany. Elektrony są ściągane z bazy do bazy, a następnie z bazy do kolektora. A tranzystor przełącza się w stan „on”:

mały prąd, który włączamy na podstawie, powoduje duży przepływ prądu między emiterem a kolektorem. Zamieniając mały prąd wejściowy w duży prąd wyjściowy, tranzystor działa jak wzmacniacz. Ale jednocześnie działa jak przełącznik. Gdy nie ma prądu do podstawy, mały lub żaden prąd nie płynie między kolektorem a przetwornikiem. Włącz prąd podstawowy i duży prąd płynie. Tak więc basecurrent włącza i wyłącza cały tranzystor. Technicznie ten typ tranzystora nazywa się bipolarnym, ponieważ dwa różne rodzaje (lub „polaryzacje”) ładunku elektrycznego (ujemne elektrony ipozytywne dziury) są zaangażowane w przepływ prądu.

tranzystor możemy również zrozumieć myśląc o nim jak o parze diod. Z bazą dodatnią i emiterem ujemnym, połączenie baza-emiter jest jak biaseddioda do przodu, z elektronami poruszającymi się w jednym kierunku przez złącze (od lewej do prawej na diagramie) i dziurami idącymi w przeciwnym kierunku (od prawej do lewej). Funkcja base-collectorjunction jest jak dioda odwrócona. Dodatnie napięcie kolektora pullsmost elektronów przez I do obwodu zewnętrznego (choć niektóre elektrony nie rekombinować z dziurami w bazie).

jak działa tranzystor polowy (FET)

wszystkie Tranzystory pracują kontrolując ruch elektronów, ale nie wszystkie robią to w ten sam sposób. Podobnie jak tranzystor połączeniowy, FET (field effect transistor) ma trzy różne zaciski – ale mają nazwy source(analogiczne do emitera), drain (analogiczne do kolektora) i gate (analogiczne do bazy). W FET warstwy krzemu typu ofn i P są ułożone w nieco inny sposób i pokryte warstwami metalu i tlenku. To daje nam urządzenie o nazwie aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor Fieldeffect Transistor).

chociaż w źródle typu n i drenażu znajdują się dodatkowe elektrony,nie mogą one płynąć z jednego do drugiego z powodu otworów w bramie typu p pomiędzy nimi. Jeśli jednak podłączymy dodatnivoltage do bramy, powstaje tam pole elektryczne, które umożliwiajeelektrony przepływają cienkim kanałem od źródła do odpływu. Ten „efekt pola” umożliwia przepływ prądu i przełącza tranzystor na:

ze względu na kompletność, możemy zauważyć, że MOSFET jest unipolartransystorem, ponieważ tylko jeden Rodzaj („polaryzacja”)ładunku elektrycznego jest zaangażowany w jego działanie.

jak działają tranzystory w kalkulatorach i komputerach?

w praktyce nie musisz nic wiedzieć o elektronach i dziurach, chyba że zarabia się na projektowaniu chipów komputerowych! Wszystko, co musisz wiedzieć, to to, żetransystor działa jak wzmacniacz lub przełącznik, używając małego prądu, aby włączyć Większy. Ale jest jeszcze jedna rzecz, o której warto wiedzieć: jak to wszystko pomaga komputerom przechowywać informacje i podejmować decyzje?

możemy połączyć kilka przełączników tranzystorowych, aby stworzyć jakąś bramkę logiczną, która porównuje kilka prądów wejściowych i daje w rezultacie inne wyjście. Bramki logiczne pozwalają komputerom podejmować bardzo proste decyzje przy użyciu techniki matematycznej zwanej algebrą Boolowską. Twój mózg podejmuje decyzje w ten sam sposób. Na przykład, używając ” wejść „(rzeczy, które wiesz) o pogodzie i tym, co masz w korytarzu, możesz podjąć taką decyzję: „Jeśli pada deszcz i mam parasol, pójdę do sklepu”. To przykład algebry Boolowskiej wykorzystującej tzw. operator i (słowo operator to tylko trochę matematycznego żargonu, żeby rzeczy wydawały się bardziej skomplikowane niż w rzeczywistości). Możesz podejmować podobne decyzje z innymi operatorami. „Jeśli jest wietrznie lub pada śnieg,to założę płaszcz” to przykład użycia operatora OR. Albo „jeśli pada deszcz i mam parasol, albo płaszcz, to mogę wyjść”. Używając AND, OR i innych operatorów nazwanych NOR, XOR, NOT i NAND, komputery mogą dodawać lub porównywać liczby binarne.Ta idea jest kamieniem węgielnym programów komputerowych: logicznymseria instrukcji, które sprawiają, że komputery robią rzeczy.

Zwykle tranzystor złącza jest „wyłączony”, gdy nie ma prądu podstawowego i przełącza się na „włączony”, gdy płynie prąd podstawowy. Oznacza to, że pobiera prąd elektryczny, aby włączyć lub wyłączyć tranzystor. Ale transystory takie jak ten mogą być podłączone do bramek logicznych, więc ich outputconnections wracają do ich wejść. Tranzystor pozostaje włączony nawet po usunięciu prądu bazowego. Za każdym razem, gdy płynie nowy prąd, tranzystor „odwraca” się lub wyłącza. Pozostaje w jednym z tych stabilnych Stanów (włączonym lub wyłączonym), dopóki inny prąd nie przejdzie i nie odwróci go w drugą stronę. Ten rodzaj aranżacji jest znany jako flip-flop i zamienia atransystor w urządzenie simplememory, które przechowuje zero (gdy jest wyłączone) lub jedynkę (gdy jest wyłączone). Klapki są podstawową technologią stojącą za chipami pamięci komputera.