cum se face un tranzistor?

foto: o placă de siliciu. Fotografie prin amabilitatea NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

tranzistoarele sunt fabricate din siliciu, un element chimic găsit în nisip, care nu conduce în mod normal electricitatea (nu permite electronilor să curgă ușor prin el).Siliciul este un semiconductor, ceea ce înseamnă că estenici într-adevăr un conductor (ceva de genul unui metal care permite fluxul de energie electrică), nici un izolator (ceva de genul plasticului care oprește fluxul de energie electrică). Dacă tratăm siliciul cu impurități (un proces cunoscut sub numele de dopaj),îl putem face să se comporte într-un mod diferit. Dacă dopăm siliciul cu elementele chimice arsenic,fosfor sau antimoniu, siliciul câștigă niște electroni „liberi” suplimentari—cei care pot transporta un curent electric—astfel încât electronii vor curge din el mai natural. Deoarece electronii au o sarcină negativă, silicontratați în acest fel se numește tip N (tip negativ). De asemenea,putem Dopa siliciu cu alte impurități, cum ar fi bor, galiu și aluminiu. Siliconul tratat în acest fel are mai puțini electroni”liberi”, astfel încât electronii din materialele din apropiere vor tinde să curgă în el. Noi numim acest tip de siliciu p-tip (tip pozitiv).

rapid, în trecere, este important să rețineți că nici siliciul de tip N sau P nu are de fapt o sarcină în sine: ambele sunt neutre din punct de vedere electric. Este adevărat că siliciul de tip N are electroni „liberi” suplimentari care îi cresc conductivitatea, în timp ce siliciul de tip p are mai puțini dintre acești electroni liberi, ceea ce ajută la creșterea conductivității sale în sens opus. În fiecare caz, conductivitatea suplimentară provine din adăugarea de atomi neutri (neîncărcați) de impurități la siliciu care a fost neutru pentru început—și nu putem crea sarcini electrice din aer subțire! O explicație mai detaliată ar avea nevoie de mine să introducă o idee numităteoria benzii, care este un pic dincolo de domeniul de aplicare al acestui articol. Tot ce trebuie să ne amintim este că „electroni suplimentari” înseamnă electroni liberi suplimentari—cei care se pot mișca liber și pot ajuta la transportul unui curent electric.

Silicon sandwich-uri

Avem acum două tipuri diferite de siliciu. Dacă le punem împreună în straturi, făcând sandvișuri din materiale de tip p și n, putem face diferite tipuri de componente electronice care funcționează în tot felul de moduri.

Să presupunem că unim o bucată de siliciu de tip n cu o bucată de silicon de tip p și punem contacte electrice pe ambele părți. Interesant și utillucrurile încep să se întâmple la intersecția dintre cele douămateriale. Dacă ne întoarcempe curent, putem face ca electronii să curgă prin joncțiune de latitudinea de tip n la partea de tip p și să iasă prin circuit. Acest lucru se întâmplă deoarece lipsa electronilor de pe partea de tip p a joncțiunii trage electronii de pe partea de tip n și invers. Dar dacă inversăm curentul, electronii nu vor curge deloc. Ceea ce am făcut aici se numește diodă (sau redresor).este o componentă electronică care permite curentului să curgă prin ea într-o singură direcție. Este util dacă doriți să transformați curentul electric alternativ (bidirecțional) încurent direct (unidirecțional). Diodele pot fi, de asemenea, făcute astfel încât să dea lumină atunci când electricitatea curge prin ele. S-ar putea să fi văzut aceste diode emițătoare de lumină (LED-uri) pe calculatoare de buzunar și afișaje electronice pe Echipamente stereo hi-fi.

cum funcționează un tranzistor de joncțiune

foto: un tranzistor PNP tipic din siliciu (un A1048 conceput ca amplificator de frecvență audio).acum să presupunem că folosim trei straturi de siliciu în sandwich-ul nostru în loc de două. Putem face fie un sandwich p-n-p (cu o felie de n-typesilicon ca umplutură între două felii de tip p), fie un n-p-nsandwich (cu tipul p între cele două plăci de tip n). Dacă ne alăturăm contactelor electrice la toate cele trei straturi ale sandwich—ului, putemface o componentă care fie va amplifica un curent, fie îl va porni sauoff-cu alte cuvinte, un tranzistor. Să vedem cum funcționează în cazul tranzistorului ann-p-N.

deci știm despre ce vorbim, să dăm nume celor treicontacte electrice. Vom numi cele două contacte Unite cu cele două piese de siliciu de tip n emițătorul și colectorul,iar contactul alăturat siliciului de tip p vom numi baza. Când curentul nu curge în tranzistor, știm că siliciul de tip p este lipsit de electroni(prezentat aici de semnele plus mici, reprezentând încărcături pozitive) și cele două bucăți de siliciu de tip N au electroni suplimentari (arătați de semnele minus mici, reprezentând sarcini negative).

Un alt mod de a privi la acest lucru este de a spune că în timp ce n-Tip are asurplus de electroni, p-tip are găuri în cazul în care electronii ar trebui să fie. În mod normal, găurile din bază acționează ca o barieră, împiedicând un flux semnificativ de curent de la emițător la colector, în timp ce tranzistorul este în starea sa „oprit”.

un tranzistor funcționează atunci când electronii și găurile încep să se miște peste cele două joncțiuni dintre siliciul de tip N și P.

să conectăm tranzistorul la o anumită putere. Să presupunem că atașăm un mictensiune pozitivă la bază, face emițătorul încărcat negativ șiface colectorul încărcat pozitiv. Electronii sunt trași de laemițător în bază-și apoi de la bază în colector. Și tranzistorul trece la starea sa „pornit”:

curentul mic pe care îl pornim la bază face un flux mare de curent între emițător și colector. Prin rotirea unei intrări micicurent într-un curent de ieșire mare, tranzistorul acționează ca un amplificator. Darde asemenea, acționează ca un comutator în același timp. Când nu există curent labaza, curentul puțin sau deloc curge între colector și emitter. Porniți curentul de bază și un curent mare curge. Deci curentul de bază pornește și oprește întregul tranzistor. Din punct de vedere tehnic, acest tip de tranzistor se numește bipolar, deoarecedouă tipuri diferite (sau „polarități”) de sarcină electrică (electroni negativi șigăuri pozitive) sunt implicate în realizarea fluxului curent.

putem înțelege și un tranzistor gândindu-ne la el ca la o pereche de diode. Cubaza pozitivă și emițătorul negativ, joncțiunea bază-emițător este ca o diodă orientată înainte, cu electroni care se deplasează într-o direcție peste joncțiune (de la stânga la dreapta în diagramă) și găuri care merg în sens opus (de la dreapta la stânga). Colectorul de bazăfuncția este ca o diodă părtinitoare inversă. Tensiunea pozitivă a colectorului tragemajoritatea electronilor prin și în circuitul exterior (deși unii electroni se recombină cu găuri în bază).

cum funcționează un tranzistor cu efect de câmp (FET)

toate tranzistoarele funcționează controlând mișcarea electronilor, darnu toți o fac la fel. Ca un tranzistor de joncțiune, un FET(tranzistor cu efect de câmp) are trei terminale diferite—dar eleau numele sursă (analog cu emițătorul), scurgere(analog cu colectorul) și poartă (analog cu baza). Într-un FET, straturile de siliciu de tip N și de tip p sunt aranjate într-un mod ușor diferit șiacoperite cu straturi de metal și oxid. Acest lucru ne oferă un dispozitiv numit Amosfet (tranzistor Fieldeffect Semiconductor cu oxid de metal).

deși există electroni suplimentari în sursa de tip N și în scurgere,ei nu pot curge de la unul la altul din cauza găurilor din poarta de tip p între ele. Cu toate acestea, dacă atașăm un pozitivtensiune la poartă, acolo este creat un câmp electric care permiteelectronii să curgă într-un canal subțire de la sursă la scurgere. Acest „efect de câmp” permite curgerea unui curent și pornește tranzistorul:

Din motive de exhaustivitate, am putea observa că un MOSFET este un unipolartransistor, deoarece doar un singur tip („polaritate”)de sarcină electrică este implicat în a face să funcționeze.

cum funcționează tranzistoarele în calculatoare și computere?

în practică, nu trebuie să știți nimic din aceste lucruri despre electroni și găuri decât dacă mergeți să proiectați cipuri de computer pentru a trăi! Tot ce trebuie să știți este că atranzistor funcționează ca un amplificator sau un comutator, folosind un curent micpentru a porni unul mai mare. Dar există un alt lucru care merită știut: cum ajută toate acestea computerele să stochezeinformații și să ia decizii?

putem pune câteva comutatoare tranzistor împreună pentru a face cevanumită poartă logică, care compară mai multecurenții de intrare și oferă o ieșire diferită ca rezultat. Porțile logice permit calculatoarelor să facădecizii foarte simple folosind o tehnică matematică numită algebră booleană. Creierul tău ia decizii în același mod. De exemplu, folosind ” intrări „(lucruri pe care le cunoașteți) despre vreme și ce aveți înholul dvs., puteți lua o astfel de decizie: „Dacă plouă și am o umbrelă, voi merge la magazine”. Acesta este un exemplu de algebră booleană folosind ceea ce se numește an și”operator” (cuvântul operator este doar un pic de jargon matematic pentru a face lucrurile să pară mai complicate decât sunt în realitate). Puteți luadecizii similare cu alți operatori. „Dacă este vânt sau ninge, atunci voi pune o haină” esteun exemplu de utilizare a unui operator OR. Sau Ce zici de „dacă plouă și am o umbrelă sau am o haină, atunci este bine să ieși”. Folosind și, sau și alți operatori numiținor, XOR, NOT și NAND, computerele pot adăuga sau compara numere binare.Această idee este piatra de temelie a programelor de calculator: logicaseria de instrucțiuni care fac computerele să facă lucruri.

în mod normal, un tranzistor de joncțiune este „oprit” atunci când nu există curent de bază și comută la „pornit” atunci când curentul de bază curge. Asta înseamnă că este nevoie de un curent electric pentru a porni sau opri tranzistorul. Dar tranzistori ca aceasta poate fi cuplat cu porți logice astfel încât outputconnections lor feed înapoi în intrările lor. Tranzistorul rămâne aprins chiar și atunci când curentul de bază este îndepărtat. De fiecare dată când un noucurentul de bază curge, tranzistorul „se învârte” sau se oprește. Rămâne într-una din acele stări stabile (fie pornite, fie oprite) până când un alt curent vine și îl răstoarnă invers. Acest tip de arrangementis cunoscut ca un flip-flop și se transformă atransistor într-un dispozitiv de memorie simplememory care stochează un zero (atunci când este oprit) sau unul (atunci când It ‘ sson). Flip-flops sunt tehnologia de bază din spatele cipurilor de memorie ale computerului.