Hvordan er en transistor lavet?

foto: en skive af silicium. Foto med tilladelse fra NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

transistorer er lavet af silicium, et kemisk element, der findes i sand, som normalt ikke udførerelektricitet (det tillader ikke elektroner at strømme gennem det let).Silicon er en halvleder, hvilket betyder, at det erhverken virkelig aconductor (noget som et metal, der lader elektricitet strømme) eller anisolator (noget som plast, der stopper strømmen). Hvisvi behandler silicium med urenheder (en proces kendt som doping),kan vi få det til at opføre sig på en anden måde. Hvis vi dope silicium med de kemiske elementer arsen,fosfor eller antimon, får silicium nogle ekstra “frie” elektroner—dem der kan bære en elektrisk strøm—så elektroner vil strømme udaf det mere naturligt. Fordi elektroner har en negativ ladning, siliconbehandlet på denne måde kaldes n-type (negativetype). Vi kan også dope silicium med andre urenheder som bor,gallium og aluminium. Silicium behandlet på denne måde har færre af disse”frie” elektroner, så elektronerne i nærliggende materialer vil have tendens til at strømme ind i det. Vi kalder denne slags silicium p-type (positiv type).

hurtigt er det vigtigt at bemærke, at hverken N-type eller p-type silicium faktisk har en ladning i sig selv: begge er elektrisk neutrale. Det er rigtigt, at n-type silicium har ekstra “frie” elektroner, der øger dets ledningsevne, mens p-type silicium har færre af disse frie elektroner, hvilket hjælper med at øge dets ledningsevne på den modsatte måde. I hvert tilfælde kommer den ekstra ledningsevne fra at have tilføjet neutrale (uladede) atomer af urenheder til silicium, der var neutralt til at begynde med—og vi kan ikke skabe elektriske ladninger ud af tynd luft! En mere detaljeret forklaring ville have brug for mig til at introducere en ide kaldetband teori, som er lidt uden for denne artikels anvendelsesområde. Alt, hvad vi skal huske, er, at “ekstra elektroner” betyder ekstra frie elektroner—dem, der frit kan bevæge sig rundt og hjælpe med at bære en elektrisk strøm.

Siliciumsmørbrød

Vi har nu to forskellige typer silicium. Hvis vi sætter dem sammeni lag, der laver smørbrød af p-type og N-type materiale, kan vi laveforskellige former for elektroniske komponenter, der fungerer i alle slagsmåder.

Antag, at vi slutter et stykke N-type silicium til et stykke p-typesilicium og sætter elektriske kontakter på begge sider. Spændende og nyttige ting begynder at ske i krydset mellem de to materialer. Hvis vi tænder strømmen, kan vi få elektroner til at strømme gennem krydset Fran-type side til p-type side og ud gennem kredsløbet. Dette sker, fordi manglen på elektroner på p-type side af Junction trækker elektroner over fra n-type side og omvendt. Men hvis vi vender strømmen, vil elektronerne slet ikke strømme. Hvad vi er lavet her kaldes en diode (eller ensretter).det er en elektroniskkomponent, der lader strømmen strømme gennem den i kun en retning. Det er nyttigt, hvis du vil dreje vekselstrøm (tovejs) elektrisk strøm tildirekte (envejs) strøm. Dioder kan også laves, så de giverlys, når elektricitet strømmer gennem dem. Du har måske set disselysemitterende dioder (LED ‘ er) på lommeregnere og elektroniskdisplays på hi-fi stereoudstyr.

Sådan fungerer en forbindelsestransistor

foto: en typisk silicium PNP transistor (en A1048 designet som en lydfrekvensforstærker).

Antag nu, at vi bruger tre lag silicium i vores smørrebrød i stedet for to. Vi kan enten lave en p-n-p smørbrød (med en skive n-typesilicium som fyld mellem to skiver af p-type) eller en n-p-nsandbrød (med p-typen imellem de to plader af n-type). Hvis vi tilslutter elektriske kontakter til alle tre lag af smøremidlet, kan vilav en komponent, der enten forstærker en strøm eller tænder den oroff—med andre ord en transistor. Lad os se, hvordan det virker i tilfælde af ann-p-n transistor.

så vi ved hvad vi taler om, lad os give navne til de treelektriske kontakter. Vi kalder de to kontakter,der er forbundet med de to stykker af N-type silicium, emitteren og samleren, og kontakten, der er forbundet med P-typen silicium, kalder vi basen. Når nocurrent strømmer i transistoren, ved vi, at p-type silicium er kort afelektroner (vist her ved de små plustegn, der repræsenterer positive ladninger) og de to stykker N-type silicium har ekstra elektroner(vist ved de små minustegn, der repræsenterer negative ladninger).

en anden måde at se på dette er at sige, at mens n-typen har asurplus af elektroner, har p-typen huller, hvor elektronerbør være. Normalt fungerer hullerne i basen som en barriere, der forhindrer nogenvæsentlig strømstrøm fra emitteren til samleren, mens transistoren er i sin “off” tilstand.

en transistor fungerer, når elektronerne og hullerne begynder at bevæge sigpå tværs af de to kryds mellem N-type og p-type silicium.

lad ostilslut transistoren op til en vis strøm. Antag, at vi vedhæfter en lillepositiv spænding til basen, gør emitteren negativt ladet, oggøre samleren positivt ladet. Elektroner trækkes fraemitter ind i bunden-og derefter fra bunden ind i samleren. Ogtransistoren skifter til sin” on” – tilstand:

den lille strøm, som vi tænder ved basen, skaber en stor strømstrøm mellem emitteren og samleren. Ved at dreje en lille indgangstrøm i en stor Udgangsstrøm fungerer transistoren som en forstærker. Men det fungerer også som en kontakt på samme tid. Når der ikke er strøm tilbasen, strømmer der lidt eller ingen strøm mellem samleren og emitteren. Tænd for basisstrømmen, og en stor strøm strømmer. Så basestrømmen tænder og slukker hele transistoren. Teknisk kaldes dettetype transistor bipolar fordito forskellige slags (eller “polariteter”) af elektrisk ladning (negative elektroner ogpositive huller) er involveret i strømmen.

Vi kan også forstå en transistor ved at tænke på det som et par dioder. Medbase positiv og emitter negativ, base-emitter krydset er som en fremadrettet diode, med elektroner bevæger sig i en retning over krydset (fra venstre mod højre idiagrammet) og huller går den modsatte vej (fra højre til venstre). Base-collectorjunction er som en omvendt forudindtaget diode. Kollektorens positive spænding trækkerde fleste elektroner gennem og ind i det udvendige kredsløb (selvom nogle elektroner rekombineres med huller i basen).

hvordan en felt-effekt transistor (FET) virker

alle transistorer arbejder ved at styre bevægelsen af elektroner, menikke alle gør det på samme måde. Ligesom en krydstransistor har en FET (felteffekttransistor) tre forskellige terminaler—men de har navnene kilde(analog med emitteren), afløb (Analog medsamleren) og gate (analog med basen). I en FET er lag AFN-type og p-type silicium arrangeret på en lidt anden måde ogbel med lag af metal og ilt. Det giver os en enhed kaldet aMOSFET (Metaloksid Semiconductor FieldEffect Transistor).

selvom der er ekstra elektroner i n-type kilde og afløb, kan de ikke strømme fra den ene til den anden på grund af hullerne i p-type porten imellem dem. Men hvis vi vedhæfter en positivspænding til porten, skabes der et elektrisk felt der tillader detelektroner at strømme i en tynd kanal fra kilden til afløbet. Denne “felteffekt” tillader en strøm at strømme og tænder transistoren:

for fuldstændighedens skyld kunne vi bemærke, at en MOSFET er en unipolartransistor, fordi kun en slags (“polaritet”)elektrisk ladning er involveret i at få det til at fungere.

hvordan fungerer transistorer i regnemaskiner og computere?

i praksis behøver du ikke at vide noget af det her omelektroner og huller, medmindre du går til at designe computerchips til et levende! Alt du behøver at vide er, at atransistor fungerer som en forstærker eller en kontakt ved hjælp af en lille strømat tænde en større. Men der er en anden ting værd at vide:hvordan hjælper alt dette computere med at opbevareinformation og træffe beslutninger?

Vi kan sætte et par transistoromskiftere sammen for at gøre nogetkaldet en logisk port, der sammenligner flere indgangsstrømme og giver et andet output som følge heraf. Logiske porte lader computere gøremeget enkle beslutninger ved hjælp af en matematisk teknik kaldet boolsk algebra. Din hjerne træffer beslutninger på samme måde. For eksempel ved at bruge “input” (ting du ved) om vejret og hvad du har idin gang, du kan træffe en beslutning som denne: “Hvis det regner og jeg har en paraply, vil jeg gå tilbutikker”. Det er et eksempel på boolsk algebra ved hjælp af det, der kaldes en og”operatør” (ordet operatør er bare en smule matematisk jargon for at få tingene til at virke mere komplicerede, end de virkelig er). Du kan lavelignende beslutninger med andre operatører. “Hvis det er blæsende eller det sner,så vil jeg lægge på en frakke” eret eksempel på at bruge en eller operatør. Eller hvad med “hvis det regner og har en paraply, eller jeg har en frakke, så er det okay at gå ud”. Ved hjælp af OG,ELLER, og andre operatører kaldet NAND, kan computere tilføje eller sammenligne binære tal.Denne ide er grundstenen i computerprogrammer: den logiskeserie af instruktioner, der får computere til at gøre ting.

normalt er en forbindelsestransistor “slukket”, når der ikke er nogen basestrøm og skifter til “on”, når basestrømmen strømmer. Det betyder, at dettager en elektrisk strøm for at tænde eller slukke transistoren. Buttransistorer som denne kan tilsluttes logiske porte, så deres outputforbindelser går tilbage til deres input. Transistorenbliver derefter tændt, selv når basisstrømmen fjernes. Hver gang en nybasestrøm strømmer, transistoren “flips” til eller fra. Det forbliver i en af de stabile tilstande (enten til eller fra), indtil en anden strøm kommer sammen og vender den den anden vej. Denne form for arrangementer kendt som en flip-flop og det gør atransistor til en simplememory enhed, der gemmer et nul (når det er slukket) eller en (når det erpå). Flip-flops er den grundlæggende teknologi bag computerens hukommelseschips.