Ср. Окт 20th, 2021

Транзисторы — это фундаментальные строительные блоки цифровой революции. Без них такие устройства, как мобильные телефоны или компьютеры, были бы совершенно другими — если бы они вообще существовали.

Транзисторы в разных корпусах

Однако до появления транзисторов инженеры использовали в электрических цепях вакуумные трубки и электромеханические переключатели. Эти решения были далеки от идеала, поскольку перед работой их приходилось нагревать, а иногда они перегревались в процессе работы. Они были ненадежными, громоздкими и потребляли много энергии. Тем не менее, первые компьютеры, телефонная система и телевидение работали именно на них.

В 1926 году Юлиус Лилиенфельд, польский физик еврейского происхождения, подал заявку на патент на трехэлектродное устройство из медного купороса, которое стало прототипом полевого транзистора, строительного материала кремниевых чипов. Двадцать лет спустя ученые из компании Bell Telephone System решили воплотить его идею в жизнь.

Для нормальной работы транзисторов требуются чистые полупроводниковые материалы. Поэтому время изобретения транзистора не было случайным, так как только после Второй мировой войны усовершенствованные процессы очистки и легирования позволили получить материал, пригодный для применения в полупроводниках. Поэтому, если вам нужны качественные радиодетали, посмотрите на странице.

Принцип работы транзистора

Принцип работы транзистора основан на управлении потоком электронов и, следовательно, электрической энергии. Его можно сравнить с краном, где транзистор не только останавливает и запускает поток тока, но и регулирует его величину.

Принцип работы транзистора

Первые транзисторы были изготовлены из германия (Ge), поскольку чистый германий был очень хорошим изолятором. Добавление в него примесей (процесс называется легированием) превратило его в очень плохой проводник или полупроводник. Полупроводник — это материал, который представляет собой нечто среднее между изолятором и проводником и позволяет регулировать степень электропроводности.

В зависимости от типа используемых элементов, процесс легирования позволяет получить германиевый слой отрицательного типа (тип N) и положительного типа (тип P). В слое N-типа введение легирующего элемента, отдающего избыток электронов, вызывает их отток. В слое P-типа соответствующий легирующий элемент заставляет германий терять электроны, так что электроны из соседних материалов притекают к нему.

Прилегающие слои N-типа и P-типа образуют P-N-переход. Этот переход позволяет току течь, но только в одном направлении, что чрезвычайно полезно при создании электронных схем.

Следующим шагом стали биполярные транзисторы в конфигурации слоев P-N-P и N-P-N. При подаче электрического тока на центральный слой (базу) электроны перемещаются из слоя N в слой P. Первоначальный небольшой ток действует как переключатель, который затем позволяет гораздо большему току протекать между другими слоями. Это означает, что в электрической цепи транзистор действует и как переключатель, и как усилитель.

Транзисторы в компьютерную эру

Транзисторы на основе германия использовались более 20 лет и, безусловно, помогли начать компьютерную эру. Сегодня в промышленном производстве транзисторов германий заменен кремнием. Транзисторы на основе кремния более надежны и дешевы в производстве. Они произвели революцию в эре компьютерного дизайна и породили целую новую огромную индустрию в Калифорнии под названием «Силиконовая долина».

При правильном использовании инженерных решений кремниевые транзисторы значительно увеличили вычислительную мощность компьютеров, предоставив возможность выполнять огромное количество вычислений за короткое время. Сложные задачи решаются с помощью простого управления переключателями. В компьютерном чипе транзисторы переключаются между двумя двоичными состояниями 0 и 1. Один такой чип состоит из миллионов транзисторов, которые непрерывно переключаются для решения сложных задач.

В компьютерном чипе транзисторы не изолированы. Они являются частью того, что мы сегодня называем интегральной схемой (микрочипом или микропроцессором), а интегральная схема — это один кусок полупроводникового материала, заполненный транзисторами и другими электронными компонентами.

Компьютер для принятия простых решений использует все это в тандеме с булевой алгеброй. С помощью множества транзисторов он может очень быстро принимать множество простых решений, что приводит к быстрому выполнению сложных вычислений.

Для быстрого выполнения задач компьютеру необходимы миллионы или даже миллиарды транзисторов. Благодаря надежности и размеру, значительно меньшему, чем диаметр человеческого волоса, инженеры могут упаковать бесчисленное количество транзисторов в широкий спектр компьютеров и связанных с ними продуктов.

Транзисторы вчера и сегодня

В 1960-х и 1970-х годах транзисторы производились в основном по базовой конструкции, основанной на технологии, разработанной в лаборатории Bell. Достижения в разработке кремния в 1970-х годах привели к созданию полевых транзисторов на основе оксида металла и полупроводника, сокращенно называемых МОП-транзисторами (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). В них используются те же принципы, что и в других транзисторах, но слои кремния N- и P-типа дешевле, расположены по-разному и в зависимости от типа легирования металлами и оксидами могут использоваться для разных целей.

Существует множество различных типов транзисторов, и инженеры разделяют их по полупроводниковому материалу, применению, мощности, структуре, рабочей частоте и другим параметрам. По мере развития технологий инженеры научились одновременно производить несколько транзисторов на одном полупроводнике вместе с другими компонентами, такими как резисторы и конденсаторы.

Кремниевые пластины с вытравленными интегральными схемами, используемые в космических миссиях ЕКА. Источник: ESA

В результате получилось то, что мы сегодня называем интегральной схемой, или чипом, содержащим миллиарды транзисторов. С 1960 года количество транзисторов на единицу площади удваивалось каждые полтора года. Это означает, что инженеры могут упаковывать все больше и больше в все более компактные устройства.

Следующая надежда произвести революцию в технологии транзисторов — заменить кремний графеном. Графен обеспечивает гораздо более быстрый перенос электронов. Это может привести к созданию процессоров в 1000 раз быстрее, чем процессоры на основе кремния.

Независимо от того, какое направление примет технология, несомненно то, что транзисторы будут продолжать вести нашу цивилизацию по пути прогресса, который мы не можем себе представить сегодня. Компьютеры и техника станут быстрее, дешевле и надежнее. Транзисторы оказали огромное влияние на наши технологии и, в конечном счете, на наше общество в целом. Неплохо для такого простого устройства, изобретенного более 60 лет назад.

Как работает ТРАНЗИСТОР Реально | Самое понятное объяснение! Ч1

КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР | ОБЪЯСНЯЮ НА ПАЛЬЦАХ

от adminosam