Щоразу, коли ви берете до рук телефон, ви торкаєтеся транзистора. Ви бачите його на екрані комп’ютера. Інтернет залежить від мільйонів транзисторів, щоби продовжувати працювати. Але що ж вони являють собою?
Уявіть транзистор як дуже точний кран. Йдеться не просто про включення чи вимкнення потоку. Він контролює, скільки води проходить через нього. У світі електрики “водою” є потік електронів. Транзистори дуже точно керують цим потоком, дозволяючи схемам включати та вимикати сигнали або посилювати їх, щоб вони могли передаватися на великі відстані.
Без такого контролю сучасні електронні пристрої були б не лише громіздкими, а й просто не існували.
Випадковість моменту появи попередника кремнію
Винахід транзистора був випадковим актом геніальності. Для його створення потрібні матеріали, які можна науково отримати лише у певні моменти історії.
Перші транзистори, створені в лабораторіях Белла, виготовляли з германію. Вчені знають, що чистий германій є діелектриком та перешкоджає проходженню електричного струму. Однак було виявлено, що додавання невеликих домішок за допомогою процесу, званого легуванням, перетворює його на слабкий провідник. Це призвело до народження напівпровідників.
Напівпровідники займають проміжне положення. Вони не є ідеальними провідниками, як мідь, і є ідеальними діелектриками, як скло. Їхні властивості можна налаштовувати.
Чому це сталося одразу після Другої світової війни? Через терміни. Військові зусилля стимулювали значний прогрес у очищенні чистого германію та покращенні методів легування. Раптово сировина, необхідна виготовлення транзисторів, нарешті, досягло необхідної чистоти. До цього ці матеріали не існували в придатній для використання формі.
P-N переходи: односторонній рух в електроніці
Легування визначає поведінку напівпровідників. Залежно від того, які елементи додаються в Німеччині, може статися одне з наступних:
- N-тип: Добавки додають зайві електрони. Оскільки мають негативний заряд, матеріал прагне відштовхнути електрони.
- P-тип: Легуюча добавка видаляє електрон і створює «дірку» на місці, де раніше знаходився електрон. Це змушує матеріал набувати позитивного заряду та притягувати електрони із сусідніх матеріалів.
Розміщення шару N-типу поруч із шаром P-типу створює P-N діод.
У цьому переході електрика тече лише в одному напрямку. Електричний струм легко відбувається в одному напрямку, але блокується в іншому. Ця властивість є основою випрямлення, яке перетворює змінний струм (AC) на постійний (DC) і служить будівельним блоком усіх складних схем.
Від діодів до перехідних транзисторів
Діоди корисні, але транзистори також мають величезну потужність. Для цього інженери укладали ці матеріали один за одним.
Кінцевим результатом стала структура P-N-P або N-P-N. Середній шар називається базою. Крапка, де шари перетинаються, називається переходами. Тому початковий пристрій часто називають перехідним транзистором.
Тут є власна магія. Направляючи невеликий струм у цей базовий шар, можна керувати набагато більшими струмами, що проходять через решту пристрою.
Коли невеликий струм подається на базу, затвор відкривається, і електрони переміщаються з боку N-типу на бік P-типу. Цей невеликий вхідний сигнал діє як перемикач. Через нього може проходити великий струм. Коли вхідний сигнал припиняється, великий струм припиняється.
Завдяки цій подвійній функції транзистори є основою обчислювальної техніки. Вони діють як перемикачі логічних вентилів (0 або 1, увімкнено або вимкнено). Вони також діють як підсилювачі (підсилюючі слабкі сигнали) для радіоприймачів, аудіопристроїв та датчиків.
Перехід на кремній
Протягом понад 20 років германієві транзистори були всюди. Вони працювали в ранніх радіоприймачах, комп’ютерах та телевізорах.
Однак у Німеччини є свої недоліки. Він чутливий до нагрівання та його складніше очищати із постійною стабільністю. Зрештою галузь перейшла на напівпровідники на основі кремнію. Кремній широко поширений, недорогий в обробці і набагато надійніше працює за різних температур.
Нині мало хто використовує германій до створення нової комерційної електроніки. Але принцип залишається тим самим. Шари N-типу і P-типу, як і раніше, взаємодіють, обмінюючись струмом і посилюючи сигнал. Матеріал змінився. Фізика залишилася незмінною.
Ми перейшли від громіздких блоків Німеччини до
