Wie ein Transistor tatsächlich funktioniert: ein winziger Schalter, der moderne Elektronik mit Strom versorgt

Jedes Mal, wenn Sie zum Telefon greifen, berühren Sie einen Transistor. Sie blinken es auf einem Computerbildschirm. Das Internet ist auf Millionen von Nutzern angewiesen, um es am Laufen zu halten. Aber was genau sind sie?

Stellen Sie sich den Transistor als einen sehr präzisen Abgriff vor. Es geht nicht nur darum, den Verkehr ein- oder auszuschalten. Es steuert, wie viel Wasser durchkommt. In der Welt der Elektrizität ist „Wasser“ der Fluss von Elektronen. Transistoren steuern diesen Fluss sehr präzise und ermöglichen es Schaltkreisen, Signale ein- und auszuschalten oder sie zu verstärken, damit sie sich weiter ausbreiten können.

Ohne eine solche Kontrolle wären moderne elektronische Geräte nicht nur klobig, sie würden überhaupt nicht mehr existieren.

Das zufällige Timing des Silizium-Vorgängers

Die Erfindung des Transistors war kein zufälliger genialer Akt. Es erfordert Materialien, die nur zu bestimmten Zeitpunkten der Geschichte wissenschaftlich hergestellt werden können.

Die ersten in den Bell Laboratories hergestellten Transistoren wurden aus Germanium hergestellt. Wissenschaftler wissen, dass reines Germanium ein Isolator ist und den Stromfluss verhindert. Es wurde jedoch festgestellt, dass das Hinzufügen kleiner Verunreinigungen durch einen als Dotierung bezeichneten Prozess ihn zu einem schwachen Leiter machte. Dies führte zur Geburt der Halbleiter.

Halbleiter liegen irgendwo dazwischen. Sie sind keine perfekten Leiter wie Kupfer und sie sind keine perfekten Isolatoren wie Glas. Sie können abgestimmt werden.

Warum geschah das direkt nach dem Zweiten Weltkrieg? Timing. Die Kriegsanstrengungen führten zu großen Fortschritten bei der Raffinierung von reinem Germanium und der Verbesserung der Dopingtechniken. Plötzlich erreichten die zur Herstellung von Transistoren benötigten Rohstoffe endlich die erforderliche Reinheit. Vorher gab es diese Dinge nicht in nutzbarer Form.

P-N-Kreuzungen: Die Einbahnstraße der Elektronik

Die Dotierung bestimmt das Verhalten von Halbleitern. Abhängig davon, welche Elemente dem Germanium hinzugefügt werden, kann Folgendes passieren:

• N-Typ: Additive fügen zusätzliche Elektronen hinzu. Da sie negativ geladen sind, versucht das Material, die Elektronen herauszudrücken.
• P-Typ: Der Dotierstoff entfernt ein Elektron und erzeugt ein „Loch“ an der Stelle, an der sich zuvor das Elektron befand. Dadurch wird das Material positiv geladen und zieht Elektronen aus benachbarten Materialien an.

Durch Platzieren einer N-Typ-Schicht neben einer P-Typ-Schicht entsteht eine P-N-Diode.

An dieser Kreuzung gibt es elektrischen Einbahnverkehr. Strom fließt problemlos in die eine Richtung, wird jedoch in die andere Richtung blockiert. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der Gleichrichtung, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt, und ist der Baustein aller komplexen Schaltkreise.

Von Dioden bis Sperrschichttransistoren

Dioden sind nützlich, aber auch Transistoren sind leistungsstark. Um dies zu erreichen, haben Ingenieure diese Materialien nacheinander geschichtet.

Das Endergebnis ist eine P-N-P – oder N-P-N -Struktur. Die mittlere Schicht wird Basis genannt. Der Punkt, an dem sich die Schichten schneiden, wird als Knotenpunkt bezeichnet. Daher wird das Originalgerät oft als Sperrschichttransistor bezeichnet.

Hier herrscht Magie. Indem ein kleiner Strom in diese Basisschicht geleitet wird, können viel größere Ströme durch den Rest des Geräts geleitet werden.

Wenn ein kleiner Strom an die Basis angelegt wird, öffnet sich das Gate und Elektronen wandern von der N-Typ-Seite zur P-Typ-Seite. Dieser kleine Eingang fungiert als Schalter. Durch ihn kann ein großer Strom fließen. Wenn der Eingang gestoppt wird, stoppt der große Strom.

Aufgrund dieser Doppelfunktion bilden Transistoren das Rückgrat der Datenverarbeitung. Diese fungieren als Logikgatterschalter (0 oder 1, ein oder aus). Diese fungieren als Verstärker (verstärken schwache Signale) für Radios, Audio und Sensoren.

Der Siliziumwandel

Seit über 20 Jahren gibt es überall Germaniumtransistoren. Diese funktionierten bei frühen Radios, Computern und Fernsehern.

Allerdings hat Germanium auch seine Nachteile. Es ist hitzeempfindlich und schwieriger gleichmäßig zu verfeinern. Schließlich stellte die Industrie auf Halbleiter auf Siliziumbasis um. Silizium ist reichlich vorhanden, kostengünstig in der Handhabung und bei wechselnden Temperaturen weitaus zuverlässiger.

Derzeit verwenden nur wenige Menschen Germanium zur Herstellung neuer kommerzieller Elektronik. Aber das Prinzip ist dasselbe. Die N-Typ- und P-Typ-Schichten tanzen immer noch zusammen, tauschen Strom aus und verstärken das Signal. Das Material hat sich verändert. Die Physik tat es nicht.

Wir sind von sperrigen Germaniumblöcken zu … übergegangen