Для чого потрібні транзистори, які вони бувають і як виглядають
Зрозуміти, для чого потрібен транзистор, найкраще допоможе така аналогія: якщо маленька клітина – цеглинка в живому організмі, то транзистор – цегла в цифрової революції. Без нього все технологічні дива, які використовуються нами кожен день (мобільні телефони, комп'ютери, автомобілі), значно відрізнялися б від сучасних, а то і зовсім не існували б.
історичний огляд
Перш ніж були винайдені напівпровідникові елементи електричних схем, для тих же цілей конструктори використовували вакуумні лампи та механічні вимикачі. Лампи були далекі від ідеалу. Їм був потрібен розігрів перед початком роботи, вони не могли похвалитися надійністю ненадійністю і компактністю, споживали дуже багато енергії. Всі прилади, починаючи від телевізорів до ранніх комп'ютерів, були створені на їх основі.
Після Другої світової війни вчені активно шукали альтернативу лампам і знайшли відповідь в роботах Юлія Лілієнфельда кінця 1920-х років. Цей американський фізик польського походження подав на патентування трёхелектродное пристрій, виготовлений з сульфіду міді. На жаль, немає доказів, що він насправді зробив робочий прилад. Але його дослідження допомогли створити те, що сьогодні називається польовим транзистором.
Через 20 років після Лілієнфельда компанія Bell гостро потребувала в чомусь більш досконалому для своїх систем зв'язку, ніж лампи. Вона зібрала зоряну команду наукових умов для робіт по дослідженню замінників вакуумних елементів, в числі групи були:
- Джон Бардін;
- Уолтер Браттейн;
- Вільям Шоклі.
У 1947 році Шоклі був директором транзисторного дослідження в Bell, Браттейн мав славу авторитетом у фізиці твердого тіла, а Бардін – інженером-електриком і фізиком. Протягом року вони вдало експериментували з германієм, і незабаром після цього Шоклі удосконалив їх ідеї, розробивши транзисторний перехід. У наступному році Bell оголосила всьому світу про винахід робочого напівпровідникового тріода. У 1956 році команда вчених за це відкриття отримала Нобелівську премію з фізики.
Розуміння масштабів винаходу і того, навіщо потрібні транзистори, неможливо без усвідомлення такого факту: ці маленькі пристрої дозволили зробити один з найбільших технологічних стрибків людства. І це не перебільшення – вони дійсно змінили хід історії.
Спрощена схема роботи
Транзистори – пристрої, що контролюють рух електронів, а отже, електричний струм. Для розуміння того, що робить транзистор, найкраще підійде аналогія з водяним краном і потоком рідини, але, на відміну від останнього, вони не тільки можуть пропустити або перекрити потік, але також здатні контролювати його кількість. Застосування транзисторів надзвичайно широко і засноване на тому, що в якості електронного компонента він може виконувати дві різні функції:
підсилювача. На цій посаді він приймає малі електричні струми на одному висновку і створює значні струми на вихідний ланцюга. Ця властивість використовується в електроніці для посилення сигналів, завдяки йому транзистори витіснили лампові тріоди.- вимикача. Залежно від наявності або відсутності сигналу на керуючому електроді він здатний замкнути або розімкнути ланцюг. Так працюють комп'ютерні чіпи. Наприклад, мікросхема пам'яті містить сотні мільйонів або навіть мільярди транзисторів, кожен з яких може бути керовано включений або вимкнений. Оскільки всі вони в схемі знаходяться тільки в одному з двох станів, то можуть бути зберігачами двійковій інформації – нуль або одиниці. ЧІП з мільярдів транзисторів здатний зберігати мільярди нулів і одиниць.
Базова структура
Корпус, ізоляція, напівпровідниковий кристал, металеві висновки – ось з чого складається транзистор. Різна легування напівпровідника дозволяє створити два типи його структури:
Сам кристал являє собою бутерброд з цих двох типів, розташованих так, що два однакових шару сендвіча містять між собою протилежні. Залежно від їх комбінації транзистор називають або типом p-n-p, або n-p-n. Назви трьох висновків, з'єднаних з відповідними шарами, є загальними для всіх видів біполярних і польових транзисторів відповідно і відображають їх призначення (в дужках вказані терміни, які застосовуються щодо польових):
База (затвор) приймає слабкий сигнал, що управляє, а сильний колекторний струм (від витоку до стоку) протікає між двома іншими контактами. Останній змінюється в залежності від струму бази. Зовні транзистор виглядає як радіоелектронний компонент з трьома висновками.
Види і типи
Час винаходу транзисторів не було випадковим. Для правильної роботи їх кристали вимагають чистих напівпровідникових матеріалів. Саме після Другої світової війни прогрес технології в отриманні германію, а також досягнення в області легування дозволили отримувати матеріали, придатні для серійного виготовлення напівпровідникових приладів.
Пізніше замість германію в комерційній електроніці стали використовувати кремній. Напівпровідники на його основі більш надійні і доступні, ніж германієві. Кремнієві підходять для комп'ютерного виробництва. У чіпах транзистори не ізольовані як окремі компоненти, а є частиною того, що називається інтегральною схемою, і розташовуються на єдиному кристалі напівпровідника разом з іншими елементами – конденсаторами і резисторами. Сучасні кремнієві пристрої в складі мікрочіпа настільки малі, що їх розміри вимірюються в нанометрів.
Еволюція матеріалів для виготовлення цих приладів не стоїть на місці. Завдяки останнім досягненням основою триодов в XXI столітті може стати матеріал під назвою графен. Він переносить електрони набагато швидше, ніж кремній, і може стати основою комп'ютерних чіпів, які на порядки продуктивніше влаштованих на базі кремнію напівпровідників.
Те, якими бувають транзистори, не вичерпується їх розподілом за матеріалом кристала. Існують дві великі групи, що відрізняються способами управління:
Слово «польові» означає, що затвор управляється електричним полем, тобто для зміни струму між стоком і витоком досить змінити напругу. А в біполярних реакції колекторного струму домагаються шляхом зміни струму на базі. Біполярні пристрої масово використовувалися в 1960-70 роках і затребувані в наш час в якості елементів аналогових схем в основному завдяки тому, що вони прості у виготовленні і мають великий лінійністю. Польові захопили майже всю частку ринку цифрових схем.
Існують і інші типи транзисторів. Їх каталогізують не тільки за принципом роботи, але і по потужності, робочим частотам, структурі, застосування і іншими показниками. Розвиток цих пристроїв триває без зниження темпу. Наприклад, вченими з Південної Кореї нещодавно створений p-n перехід, виготовлений з однієї молекули бензолу. Сучасні чіпи виробляють багато невикористаного тепла. У зв'язку з цим у молекулярних транзисторів може бути велике майбутнє – вони здатні стати ключем до підвищення енергоефективності.
Незалежно від того, в яких напрямах буде здійснюватися розвиток технологій, очевидно, що завдяки активному дослідженню способів вдосконалення транзисторів комп'ютери стануть швидше, дешевше і надійніше, а стільникові телефони – ще легше і компактніше. Ці маленькі пристрої продовжують міняти технологічний ландшафт і в кінцевому рахунку наше суспільство в цілому. Ця чудова доля для простого пристрою, винайденого понад 60 років тому.