Каждый раз, когда вы берете в руки телефон, вы касаетесь транзистора. Вы видите его на экране компьютера. Интернет зависит от миллионов транзисторов, чтобы продолжать работать. Но что же они собой представляют?
Представьте себе транзистор как очень точный кран. Речь идет не просто о включении или выключении потока. Он контролирует, сколько воды проходит через него. В мире электричества «водой» является поток электронов. Транзисторы очень точно управляют этим потоком, позволяя схемам включать и выключать сигналы или усиливать их, чтобы они могли передаваться на большие расстояния.
Без такого контроля современные электронные устройства были бы не только громоздкими, но и просто не существовали бы.
Случайность момента появления предшественника кремния
Изобретение транзистора не было случайным актом гениальности. Для его создания требуются материалы, которые можно научно получить только в определенные моменты истории.
Первые транзисторы, созданные в лабораториях Белла, были изготовлены из германия. Ученые знают, что чистый германий является диэлектриком и препятствует прохождению электрического тока. Однако было обнаружено, что добавление небольших примесей с помощью процесса, называемого легированием, превращает его в слабый проводник. Это привело к рождению полупроводников.
Полупроводники занимают промежуточное положение. Они не являются идеальными проводниками, как медь, и не являются идеальными диэлектриками, как стекло. Их свойства можно настраивать.
Почему это произошло сразу после Второй мировой войны? Из-за сроков. Военные усилия стимулировали значительный прогресс в очистке чистого германия и улучшении методов легирования. Внезапно сырье, необходимое для изготовления транзисторов, наконец, достигло требуемой чистоты. До этого эти материалы не существовали в пригодной для использования форме.
P-N переходы: одностороннее движение в электронике
Легирование определяет поведение полупроводников. В зависимости от того, какие элементы добавляются в германий, может произойти одно из следующих:
- N-тип: Добавки добавляют лишние электроны. Поскольку они имеют отрицательный заряд, материал стремится оттолкнуть электроны.
- P-тип: Легирующая добавка удаляет электрон и создает «дырку» на месте, где раньше находился электрон. Это заставляет материал приобретать положительный заряд и притягивать электроны из соседних материалов.
Размещение слоя N-типа рядом со слоем P-типа создает P-N диод.
В этом переходе электричество течет только в одном направлении. Электрический ток легко проходит в одном направлении, но блокируется в другом. Это свойство является основой выпрямления, которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC) и служит строительным блоком всех сложных схем.
От диодов к переходным транзисторам
Диоды полезны, но транзисторы также обладают огромной мощностью. Для этого инженеры укладывали эти материалы друг за другом.
Конечным результатом стала структура P-N-P или N-P-N. Средний слой называется базой. Точка, где слои пересекаются, называется переходами. Поэтому первоначальное устройство часто называют переходным транзистором.
Здесь есть своя магия. Направляя небольшой ток в этот базовый слой, можно управлять гораздо большими токами, проходящими через остальную часть устройства.
Когда небольшой ток подается на базу, «затвор» открывается, и электроны перемещаются со стороны N-типа на сторону P-типа. Этот небольшой входной сигнал действует как переключатель. Через него может проходить большой ток. Когда входной сигнал прекращается, большой ток также прекращается.
Благодаря этой двойной функции транзисторы являются основой вычислительной техники. Они действуют как переключатели логических вентилей (0 или 1, включено или выключено). Они также действуют как усилители (усиливающие слабые сигналы) для радиоприемников, аудиоустройств и датчиков.
Переход на кремний
На протяжении более 20 лет германиевые транзисторы были повсюду. Они работали в ранних радиоприемниках, компьютерах и телевизорах.
Однако у германия есть свои недостатки. Он чувствителен к нагреву и его сложнее очищать с постоянной стабильностью. В конечном итоге отрасль перешла на полупроводники на основе кремния. Кремний широко распространен, недорог в обработке и гораздо надежнее работает при различных температурах.
В настоящее время мало кто использует германий для создания новой коммерческой электроники. Но принцип остается тем же. Слои N-типа и P-типа по-прежнему взаимодействуют, обмениваясь током и усиливая сигнал. Материал изменился. Физика осталась прежней.
Мы перешли от громоздких блоков германия к
