Hur görs en transistor?

foto: en skiva av kisel. Foto med tillstånd av NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

transistorer är gjorda av kisel, ett kemiskt element som finns i sand, vilket normalt inte utförelektricitet (det tillåter inte elektroner att strömma genom det lätt).Kisel är en halvledare, vilket betyder att det ärvarken verkligen enledare (något som en metall som låter elflödet) eller aninsulator (något som plast som stoppar elflödet). Omvi behandlar kisel med föroreningar (en process som kallas dopning),kan vi få det att bete sig på ett annat sätt. Om vi dope kisel med de kemiska elementen arsenik,fosfor eller antimon, får kisel några extra ”fria” elektroner—de som kan bära en elektrisk ström—så elektroner kommer att strömma utav det mer naturligt. Eftersom elektroner har en negativ laddning, silikonbehandlad på detta sätt kallas n-typ (negativtyp). Vi kan också dopa kisel med andra föroreningar som bor,gallium och aluminium. Kiselbehandlat på detta sätt har färre av de”fria” elektronerna, så elektronerna i närliggande material tenderar att strömma in i den. Vi kallar denna typ av kisel p-typ (positiv typ).

snabbt, i förbigående, är det viktigt att notera att varken N-typ eller p-typ kisel faktiskt har en laddning i sig: båda är elektriskt neutrala. Det är sant att kisel av N-typ har extra ”fria” elektroner som ökar konduktiviteten, medan kisel av p-typ har färre av de fria elektronerna, vilket bidrar till att öka konduktiviteten på motsatt sätt. I varje fall kommer den extra ledningsförmågan från att ha tillsatt neutrala (oladdade) atomer av föroreningar till kisel som var neutral till att börja med—och vi kan inte skapa elektriska laddningar ur luften! En mer detaljerad förklaring skulle behöva mig att presentera en ide som heterbandteori, vilket är lite utanför ramen för denna artikel. Allt vi behöver komma ihåg är att ”extra elektroner” betyder extra fria elektroner—de som fritt kan röra sig och hjälpa till att bära en elektrisk ström.

kiselsmörgåsar

Vi har nu två olika typer av kisel. Om vi lägger dem tillsammansi lager, gör smörgåsar av p-typ och N-typ material, kan vi göraolika typer av elektroniska komponenter som fungerar i alla slagssätt.

Antag att vi ansluter en bit av N-typ kisel till en bit av p-typ Silicon och sätta elektriska kontakter på vardera sidan. Spännande och användbara saker börjar hända vid korsningen mellan de tvåmaterialen. Om vi vänderpå strömmen kan vi få elektroner att strömma genom korsningen frånn-typsidan till p-typsidan och ut genom kretsen. Detta händer eftersom bristen på elektroner på p-typsidan av Junction drar elektroner över från N-typsidan och vice versa. Menom vi vänder strömmen kommer elektronerna inte att flöda alls. Det vi gjort här kallas en diod (eller likriktare).det är en elektroniskkomponent som låter strömmen strömma genom den i endast en riktning. Det äranvändbart om du vill vända växlande (tvåvägs) elektrisk ström tilldirekt (enkelriktad) ström. Dioder kan också göras så att de avger ljus när el strömmar genom dem. Du kanske har sett dessaljusemitterande dioder (lysdioder) på fickräknare och elektronikdisplayer på hi-fi stereoutrustning.

hur en korstransistor fungerar

foto: en typisk kisel PNP-transistor (en A1048 utformad som en ljudfrekvensförstärkare).

Antag nu att vi använder tre lager kisel i vår smörgås i stället för två. Vi kan antingen göra en p-n-p smörgås (med en skiva av n-typesilicon som fyllning mellan två skivor av p-typ) eller en n-p-nsandwich (med p-typen mellan de två plattorna av n-typ). Om vi går med i elektriska kontakter till alla tre lager av smörgåsen kan vigöra en komponent som antingen förstärker en ström eller slår på den oroff—med andra ord en transistor. Låt oss se hur det fungerar när det gäller ann-p-n transistor.

så vi vet vad vi pratar om, låt oss ge namn till de treelektriska kontakterna. Vi kommer att ringa de två kontakterna som är anslutna till twopieces av N-typ kisel emitteren och samlaren,och kontaktansluten till p-typ kisel vi ringer basen. När nocurrent strömmar i transistorn vet vi att kisel av p-typ är kort avelektroner (visas här av de lilla plustecknen, som representerar positivaladdningar) och de två bitarna av kisel av N-typ har extra elektroner(visas av de små minustecknen, som representerar negativa laddningar).

ett annat sätt att titta på detta är att säga att medan n-typen har asurplus av elektroner, har p-typen hål där elektronerbör vara. Normalt fungerar hålen i basen som en barriär, vilket förhindrar någonbetydande strömflöde från emitteren till kollektorn medantransistorn är i sitt ”off” – tillstånd.

en transistor fungerar när elektronerna och hålen börjar röra sigöver de två korsningarna mellan N-typ och p-typ kisel.

låt ossanslut transistorn upp till lite ström. Antag att vi bifogar en litenpositiv spänning till basen, gör emitteren negativt laddad ochgör kollektorn positivt laddad. Elektroner dras frånemitter in i basen-och sedan från basen in i kollektorn. Ochtransistorn växlar till Sitt” på ”- tillstånd:

den lilla strömmen som vi slår på vid basen gör ett stort strömflöde mellan emitteren och samlaren. Genom att vrida en liten ingångström till en stor Utgångsström, fungerar transistorn som en förstärkare. MenDet fungerar också som en switch samtidigt. När det inte finns någon ström tillbasen flyter liten eller ingen ström mellan kollektorn ochemitteren. Slå på basströmmen och en stor ström strömmar. Så basströmmen växlar hela transistorn på och av. Tekniskt sett kallas denna typ av transistor bipolär eftersomtvå olika typer (eller ”polariteter”) av elektrisk laddning (negativa elektroner ochpositiva hål) är involverade i att göra strömflödet.

Vi kan också förstå en transistor genom att tänka på det som ett par dioder. Med baspositiv och emitternegativ är bas-emitterkorsningen som en framåtriktad diod, med elektroner som rör sig i en riktning över korsningen (från vänster till höger i diagrammet) och hål som går motsatt väg (från höger till vänster). Base-collectorjunction är som en omvänd partisk diod. Kollektorns positiva spänning drar de flesta elektronerna genom och in i ytterkretsen (även om vissa elektroner rekombinerar med hål i basen).

hur en fälteffekttransistor (FET) fungerar

alla transistorer arbetar genom att styra elektronernas rörelse, meninte alla gör det på samma sätt. Liksom en korstransistor har en FET(fälteffekttransistor) tre olika terminaler—men dehar namnen source (analog med emitteren), drain(analog med thecollector) och gate (analog med basen). I en FET, lager AVN-typ och p-typ kisel är anordnade på ett något annorlunda sätt ochbelagd med lager av metall och oxid. Det ger oss en enhet som heter aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Även om det finns extra elektroner i n-typkällan och dränerar,kan de inte strömma från den ena till den andra på grund av hålen i P-typporten mellan dem. Men om vi bifogar en positivspänning till porten skapas ett elektriskt fält där som tillåterelektroner att strömma i en tunn kanal från källan till avloppet. Denna ”fälteffekt” tillåter en ström att strömma och växlar transistorn på:

för fullständighetens skull kan vi notera att en MOSFET är en unipolartransistor eftersom endast en typ (”polaritet”)av elektrisk laddning är involverad i att få det att fungera.

hur fungerar transistorer i räknare och datorer?

i praktiken behöver du inte veta något av det här omelektroner och hål om du inte gåratt designa datorchips för att leva! Allt du behöver veta är att atransistor fungerar som en förstärkare eller en strömbrytare, med en liten strömför att slå på en större. Men det finns en annan sak värt att veta: hur hjälper allt detta datorer att lagrainformation och fatta beslut?

Vi kan sätta några transistoromkopplare tillsammans för att göra någotkallad en logisk grind, som jämför flera inmatningsströmmar och ger en annan utgång som ett resultat. Logiska grindar låter datorer göraväldigt enkla beslut med hjälp av en matematisk teknik som kallas Boolesk algebra. Din hjärna fattar beslut på samma sätt. Till exempel, med hjälp av” ingångar ” (saker du vet) om vädret och vad du har idin Hall, Du kan fatta ett beslut så här: ”Om det regnar och jaghar ett paraply går jag till butikerna”. Det är ett exempel på Boolesk algebra med vad som kallas en och ”operatör” (ordet operatör är bara lite matematisk jargong tillgör saker verkar mer komplicerade än de verkligen är). Du kan göraliknande beslut med andra operatörer. ”Om det är blåsigt eller det snöar,så lägger jag på en kappa” ärett exempel på att använda en OR-operatör. Eller vad sägs om”om det regnar och Iha ett paraply eller jag har en kappa så är det okej att gå ut”. Med hjälp av och, eller, och andra operatörer calledNOR, XOR, NOT, och NAND, datorer kan lägga upp eller jämföra binära tal.Den tanken är grundstenen för datorprogram: den logiskaserien av instruktioner som får datorer att göra saker.

normalt är en anslutningstransistor ” av ”när det inte finns någon basström och växlar till” på ” när basströmmen flyter. Det betyder dettar en elektrisk ström för att slå på eller stänga av transistorn. Buttransistorer som detta kan anslutas med logiska grindar så att deras outputconnections matar tillbaka till sina ingångar. Transistorthen förblir på även när basströmmen tas bort. Varje gång en nybasström flyter, transistorn ”vänder” på eller av. Det förblir i en avDe stabila tillstånden (antingen på eller av) tills en annan strömkommer och vänder den åt andra hållet. Denna typ av arrangemangär känd som en flip-flop och det gör atransistor till en enkelminnesenhet som lagrar en noll (när den är avstängd) eller en (när den är på). Flip-flops är den grundläggande tekniken bakom datorminneskretsar.