Транзистор простое объяснение: простым языком для чайников, схемы

Как работают транзисторы — простое объяснение

Транзистор — полезный и практичный компонент, который можно использовать для создания множества интересных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своих будущих схемах.

Портативный паяльник TS80P

TS80P- это обновленная версия паяльника TS80 Smart, работающий от USB…

Подробнее

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы. Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах: биполярных и MOSFET.

Транзистор может работать в 2 режимах:

1. ключевой режим
2. режиме усиления

В ключевом режиме транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Проще всего представить себе транзистор как реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

В режиме усиления транзистор может быть включен частично и это режим работы полезен при усилении слабого сигнала.

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного NPN транзистора. У него три вывода:

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Подробнее

• База (b — base)
• Коллектор (c — collector)
• Эмиттер (e — emitter)

Когда транзистор включен, то через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светодиод не светиться.

Чтобы включить транзистор, вам необходимо подать напряжение около 0,7 В на базу относительно эмиттера. Если бы у вас была батарея 0,7 В вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером и транзистор бы включился. Поскольку у большинства из нас нет батареи с напряжением 0,7 В, то как мы можем включить транзистор?

Легко! Переход транзистора база-эмиттер работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из имеющегося напряжения питания. Если вы последовательно подключите резистор, то остальная часть напряжения упадет на резисторе. Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив всего один резистор.

Это тот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не сгорел.

Если вы еще добавите кнопку, то вы можете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включая и выключая его с помощью кнопки:

Выбор номиналов компонентов схемы

Чтобы выбрать необходимые номиналы компонентов, вам нужно знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904 коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы подадите ток 0,1 мА на переход база-эмиттер, то по направлению коллектор-эмиттер вы получите ток 10 мА (в 100 раз больше).

Какое должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас в качестве источника питания батарея 9 В и мы знаем что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора вы можете использовать закон Ома:

То есть вам необходимо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального ряда возьмем самое близкое значение равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Сопротивление 1 кОм будет достаточным.

Как подобрать транзистор

NPN-транзистор является наиболее распространенным типом биполярных транзисторов. Но есть еще один тип биполярного транзистора — PNP-транзистор, который работает точно также как и NPN-транзистор, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждения. Это называется током коллектора (Ic ).

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три вывода:

• Затвор (G — gate )
• Исток (S — source )
• Сток (D — drain )

N-канальный MOSFET работает также как и биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном NPN транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер определяет силу тока, текущего через переход коллектор-эмиттер.
• В MOSFET транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Вот почему для MOSFET транзистора вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение на затворе определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с кнопкой. Таким образом, у вас получиться делитель напряжения, с помощью которого вы можете выставить точное напряжение на затворе.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

 

Транзистор как усилитель

Транзистор также может работать в качестве усилителя слабых сигналов, то есть он может находиться в любом положении между «полностью включено» и «полностью выключено».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для управления динамиком сигналом прямоугольной формы:

 

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Как работают транзисторы — простое объяснение

Транзистор — полезный и практичный компонент, который можно использовать для создания множества интересных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своих будущих схемах.

HILDA — электрическая дрель

Многофункциональный электрический инструмент способн…

Подробнее

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы. Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах: биполярных и MOSFET.

Транзистор может работать в 2 режимах:

1. ключевой режим
2. режиме усиления

В ключевом режиме транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Проще всего представить себе транзистор как реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

В режиме усиления транзистор может быть включен частично и это режим работы полезен при усилении слабого сигнала.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Выбор номиналов компонентов схемы

Чтобы выбрать необходимые номиналы компонентов, вам нужно знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904 коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы подадите ток 0,1 мА на переход база-эмиттер, то по направлению коллектор-эмиттер вы получите ток 10 мА (в 100 раз больше).

Какое должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас в качестве источника питания батарея 9 В и мы знаем что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора вы можете использовать закон Ома:

То есть вам необходимо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального ряда возьмем самое близкое значение равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Сопротивление 1 кОм будет достаточным.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три вывода:

• Затвор (G — gate )
• Исток (S — source )
• Сток (D — drain )

N-канальный MOSFET работает также как и биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном NPN транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер определяет силу тока, текущего через переход коллектор-эмиттер.
• В MOSFET транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Вот почему для MOSFET транзистора вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение на затворе определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с кнопкой. Таким образом, у вас получиться делитель напряжения, с помощью которого вы можете выставить точное напряжение на затворе.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h31Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h31э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h3lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты fт транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Как работают транзисторы? — Объясните это Stuff

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 8 декабря 2021 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи.
Компьютеры содержат миллиарды
миниатюрных «мозговых клеток». Они называются транзисторами и
они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке.
Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления.
изобретенный более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и
Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, обычный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат такие отдельные транзисторы, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, внутри каждого из которых могут быть тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов. (Технически, если вас интересуют более сложные детали, это кремниевый PNP-транзистор усилителя 5401B. Я объясню, что все это означает, через мгновение.)

Содержание

1. Что на самом деле делает транзистор?
2. Как делают транзистор?
3. Силиконовые бутерброды
4. Как работает переходной транзистор
5. Как работает полевой транзистор (FET)
6. Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?
7. Кто изобрел транзистор?
8. Узнать больше

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Подробный обзор модели 5401B.

Транзистор очень прост и очень сложен. Давайте начнем с
простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент,
может выполнять две разные работы. Он может работать либо как усилитель, либо как переключатель:

При работе в качестве усилителя требуется
в крошечном электрическом токе на одном конце (
входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной
тока) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит
действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей
люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон.
который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в
колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который
усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель,
поэтому вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас.
Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более
юмористическим способом: «Если взять тюк сена и привязать его к
хвост мула, а затем зажег спичку и поджег стог сена,
и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого
мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички,
вы поймете концепцию усиления».0003

Транзисторы также могут работать как переключатели. А
Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может создать гораздо большую
ток течет через другую его часть. Другими словами, малый
ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные чипы. За
например, микросхема памяти
содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов,
каждый из которых может быть включен или выключен индивидуально. Поскольку каждый
транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может
хранить два разных числа, ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может хранить миллиарды нулей и единиц, и
почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Фото: Компактные слуховые аппараты были одним из первых применений транзисторов, и это относится примерно к концу 1950-х или 1960-м годам. Размером с колоду игральных карт, он был предназначен для ношения в кармане пиджака или на нем. На другой стороне корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, которые усиливают эти звуки, а затем направляют их в маленький громкоговоритель (внизу), который находится в вашем ухе.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли
их друг от друга, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с
немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как
дело привело к другому. Но электроника совсем другая. это все
об использовании электронов для управления электричеством. Электрон – это
минута
частица внутри атома. Он такой маленький, он весит чуть меньше
0,0000000000000000000000000000001 кг! Работают самые современные транзисторы
управляя движением отдельных электронов, так что вы можете
представьте, какие они маленькие. В современном компьютерном чипе размер
ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов
и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет никакой возможности разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает.
работает, поэтому мы должны понимать это с помощью теории и воображения.
Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делают транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит
электричество (он не позволяет электронам легко проходить через него).
Кремний — это полупроводник, а значит,
ни на самом деле
проводник (что-то вроде металла, который пропускает электричество) ни
изолятор (что-то вроде пластика, который останавливает ток). Если
мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование),
мы можем заставить его вести себя по-другому
путь. Если мы легируем кремний химическими элементами мышьяком, фосфором,
или сурьмы, кремний получает несколько дополнительных «свободных» электронов, которые
может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать
из него более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний
обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный
тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор,
галлий и алюминий. В кремнии, обработанном таким образом, их меньше.
«свободные» электроны, поэтому электроны в близлежащих материалах будут стремиться влиться в него. Мы называем этот вид кремния p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни кремний p-типа на самом деле не имеют заряда в себе : оба являются электрически нейтральными. Это правда, что у кремния n-типа есть дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как у кремния p-типа этих свободных электронов меньше, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом. В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, составляющему нейтральный для начала — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Более подробное объяснение потребовало бы, чтобы я представил идею под названием
ленточная теория, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «дополнительные электроны» означают дополнительные свободных электронов, которые могут свободно перемещаться и помогают проводить электрический ток.

Силиконовые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа силикона. Если мы сложим их вместе
в слоях, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать
различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах
способы.

Рисунок: соедините кремний n-типа с кремнием p-типа, и вы получите n-p переход, который является основой диодов и транзисторов.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с кусочком p-типа.
силикон и поставить электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно
вещи начинают происходить на стыке двух
материалы. Если мы обратимся
на токе, мы можем заставить электроны течь через переход от
со стороны n-типа на сторону p-типа и наружу по схеме. Этот
происходит из-за отсутствия электронов на стороне р-типа
переход перетягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но
если
мы реверсируем ток, электроны вообще не будут течь. Что у нас есть
сделанный здесь называется диод (или выпрямитель).
это электронный
компонент, пропускающий ток только в одном направлении. Это
полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в
постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они излучали
светятся, когда через них проходит электричество. Вы могли видеть эти
светодиоды на карманных калькуляторах и электронных
дисплеи на стереоаппаратуре Hi-Fi.

Принцип работы переходного транзистора

Фото: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, предназначенный для усилителя звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя силикона в нашем бутерброде.
из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с кусочком n-типа
кремния в качестве заполнения между двумя ломтиками p-типа) или n-p-n
сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа). Если мы
присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем
сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо
выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае
n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем
электрические контакты. Мы позвоним двум контактам, соединенным с двумя
кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор,
и контакт
соединенный с кремнием p-типа, мы назовем его основанием. Когда нет
ток
течет в транзисторе, мы знаем, что кремнию p-типа не хватает
электронов (показанных здесь маленькими знаками плюс, представляющими положительные
заряды), а два куска кремния n-типа имеют дополнительные электроны
(показаны маленькими знаками минус, представляющими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что хотя n-тип имеет
избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны
должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращая любое
при этом протекает значительный ток от эмиттера к коллектору.
транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться
через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давайте
подключите транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы присоединяем небольшой
положительное напряжение на базу, делает эмиттер отрицательно заряженным, и
сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из
эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также
транзистор переходит в состояние «включено»:

Небольшой ток, который мы включаем на базе, создает большой ток
поток между эмиттером и коллектором. Повернув небольшой вход
ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но
он также действует как переключатель в то же время. Когда нет тока на
база, между коллектором и
эмиттер. Включите базовый ток и течет большой ток. Итак, база
ток включает и выключает весь транзистор. Технически это
тип транзистора называется биполярным, потому что
два разных вида (или «полярности») электрического заряда (отрицательные электроны и
положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С
база положительная, а эмиттер отрицательный, переход база-эмиттер подобен прямому смещению.
диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в
диаграмме) и отверстия, идущие в обратном направлении (справа налево). База-сборщик
переход подобен диоду с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет
большая часть электронов проходит через внешнюю цепь и попадает во внешнюю цепь (хотя некоторые электроны действительно рекомбинируют с дырками в базе).

Как работает полевой транзистор (FET)

Работа всех транзисторов основана на управлении движением электронов, но
не все они делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор
(полевой транзистор) имеет три разных вывода, но они
имеют названия исток (аналог эмиттера), сток
(по аналогии с
коллектор), и затвор (аналог основания). В полевом транзисторе
слои
кремний n-типа и p-типа устроены немного по-разному и
покрытые слоями металла и оксида. Это дает нам устройство, называемое
МОП-транзистор (поле оксида металла и полупроводника)
эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть дополнительные электроны,
они не могут течь от одного к другому из-за отверстий в
ворота р-типа между ними. Однако, если мы присоединим положительный
напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее
электроны текут по тонкому каналу от истока к стоку. Этот
«эффект поля» позволяет течь току и включает транзистор:

транзистор потому что только один вид («полярность»)
электрического заряда участвует в том, чтобы заставить его работать.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать о
электроны и дырки, если вы не собираетесь
чтобы зарабатывать на жизнь разработкой компьютерных чипов! Все, что вам нужно знать, это то, что
транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток
чтобы включить больший. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать:
как все это помогает компьютерам хранить
информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных переключателей, чтобы сделать что-то
называется логическим вентилем, который сравнивает несколько
входные токи и в результате дает другой выход. Логические ворота позволяют компьютерам делать
очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Ваш мозг принимает решения точно так же. Например,
используя «входные данные» (вещи, которые вы знаете) о погоде и о том, что у вас есть в
вашей прихожей, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я
возьми зонт, я пойду в
магазины». Это пример булевой алгебры с использованием так называемого И
«оператор» (слово «оператор» — это всего лишь немного математического жаргона для
заставить вещи казаться сложнее, чем они есть на самом деле). Ты можешь сделать
аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег,
тогда я надену пальто»
пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь И я
есть зонт ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выходить на улицу». Используя AND,
ИЛИ и другие операторы, называемые
NOR, XOR, NOT и NAND, компьютеры могут складывать или сравнивать двоичные числа.
Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическое
серия инструкций, которые заставляют компьютеры что-то делать.

Обычно переходной транзистор «выключен» при отсутствии базы
тока и переключается в положение «включено», когда протекает базовый ток. Это означает, что это
потребляет электрический ток для включения или выключения транзистора. Но
такие транзисторы можно соединить с логическими вентилями, чтобы их выход
соединения возвращаются на свои входы. Транзистор
затем остается включенным даже при отключении базового тока. Каждый раз новый
база
течет ток, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из
эти стабильные состояния (либо включено, либо выключено) до тех пор, пока другой ток
приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая договоренность
известен как триггер, и он превращает
транзистор в простой
запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или единица (когда он
на). Триггеры — это основная технология, используемая в микросхемах компьютерной памяти.

Кто изобрел транзистор?

Произведение искусства: оригинальная конструкция точечного транзистора, изложенная в
Американский патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после
оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с
тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).
Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый).
Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже.
Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Транзисторы были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году.
тремя блестящими американскими физиками: Джоном Бардином (1908–1991), Уолтером
Браттейн (1902–1987) и Уильям
Шокли (1910–1989).

Группа под руководством Шокли пыталась
разработать новый тип усилителя для телефонной системы США, но что
они на самом деле изобрели оказались гораздо более распространенными
Приложения. Бардин и Браттейн создали первый практичный транзистор.
(известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря, 1947.
Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был
разъяренный и взволнованный тем, что его оставили в стороне. Вскоре после этого, во время
остановиться в гостинице на конференции по физике, он в одиночку вычислил
теория переходного транзистора — гораздо лучшего устройства, чем
транзистор с точечным контактом.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил
добиться еще большего успеха, изучая сверхпроводники в Иллинойском университете),
Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.
Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить
современное явление, которое называется «Силиконовая долина» (процветающий район
вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники
собрались). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли
основал Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда
они разделили высшую науку в мире
награда, т.
Нобелевская премия по физике 1956 г.,
за их открытие. Их история
захватывающая история о
интеллектуальный блеск борется с мелкой завистью, и это хорошо
стоит прочтения
больше о. Вы можете найти несколько замечательных рассказов об этом среди книг и
веб-сайты, перечисленные ниже.

Подробнее

На этом сайте

• Компьютеры: краткая история
• Флэш-память
• Интегральные схемы
• Логические элементы
• Тиристоры

Другие веб-сайты

• The Journey Inside: образовательный веб-сайт Intel, посвященный транзисторам и интегральным схемам.
• Transistorized !: веб-сайт PBS о Бардине, Браттейне, Шокли и истории транзисторов.
• Транзистор: узнайте о транзисторах в увлекательной игровой форме с помощью игр и интерактивов на веб-сайте Нобелевской премии.
  [Архивировано через Wayback Machine.]

Книги

Технические и практические

• Марка: Electronics by Charles Platt. O’Reilly, 2015. Четкий, хорошо иллюстрированный учебник для начинающих в области электроники и отличное место для начала увлеченного подростка. Эксперимент 10 начинается с покрытия транзисторов.
• Начало работы в области электроники, Форрест М. Мимс III. Издательство Master Publishing, 2003 г. Надежное введение с множеством примеров схем, которые можно попробовать.
• Искусство электроники, Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Издательство Кембриджского университета, 2015 г. Это гораздо более подробный учебник для студентов, которым я сам пользовался в колледже.
• Почему вещи такие, какие они есть, Б.С. Чандрасекар. Издательство Кембриджского университета, 1998. Относительно простое для понимания, в основном не математическое введение в физику твердого тела; по сути, это объясняет, как на самом деле работают твердые тела изнутри. Глава 10 объясняет электрические токи и полупроводники.

Исторический

• Электронная революция: изобретение будущего Дж. Б. Уильямса. Springer, 2017. Обширный обзор того, как электроника изменила нашу жизнь за последнее столетие или около того.
• Хрустальный огонь: The
  Изобретение транзистора и рождение века информации Майклом Риорданом и Лилиан Ходдесон. WW Norton & Co., 1998. Очень читаемая история транзисторов и интегральных схем.

Статьи

Технические

• Этот 40-летний транзистор изменил индустрию связи Джоанна Гудрич, IEEE Spectrum, 26 декабря 2019 г. Празднование быстро переключающихся транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), изобретенных в 1979 Такаши Мимура из Fujitsu.
• Приветствую перовскитные транзисторы Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 16 января 2019 г. Как кристаллы перовскита можно «нарисовать» на подложке для изготовления полевых транзисторов.
• Является ли NanoRing от Qualcomm транзистором (ближайшего) будущего? Сэмюэл К. Мур. IEEE Spectrum, 14 декабря 2017 г. Как и почему Qualcomm остановилась на устройствах, называемых нанокольцами, в качестве потенциально новых типов транзисторов.
• Размеры затвора транзисторов в один нанометр были достигнуты Декстером Джонсоном. IEEE Spectrum, 7 октября 2016 г. Будущее за нанотранзисторами из углеродных нанотрубок?
• Преемник транзистора, установленный Венди М. Гроссман, чтобы скоро наступить век «Машины». Scientific American, 22 июля 2014 г. В основе компьютеров завтрашнего дня могут лежать мемристоры, а не транзисторы.
• Представляем вакуумный транзистор: устройство, сделанное из ничего, Джин-Ву Хан и Мейя Мейяппан. IEEE Спектр. 23 июня 2014 года. Частично вакуумная лампа, частично транзистор, он может работать в 10 раз быстрее, чем кремний, утверждают исследователи NASA Ames.
• Intel переходит на 3D-технологии, реконструируя транзистор Чарльз Артур, Guardian, 4 мая 2011 г. Создание «трехмерных» транзисторов позволяет инженерам втиснуть еще больше их в одно и то же пространство.
• Прыжок в микромир после транзистора
  Джон Маркофф. The New York Times, 31 августа 2009 г. Какие устройства могут заменить транзисторы?

Исторический

• В картинках: Transistor History: BBC News, 15 ноября 2007 г. Фотографии пионеров транзисторов, первых транзисторов и схем.
• Утерянная история транзистора Майкла Риордана. IEEE Spectrum, 30 апреля 2004 г.

.

• Транзисторная физика У. Шокли. Американский ученый, 19 января.54, стр. 41–72.

Патенты

• Патент США: 2,524,035: Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов: оригинальный патент на точечный транзистор, поданный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном 17 июня 1948 г. и выданный в октябре 1950 г.
• Патент США: 2 569 347: элемент схемы, использующий полупроводниковый материал: это было яростное продолжение первоначального патента Шокли, поданного 26 июня 1948 г. (примерно через 10 дней после первоначального патента Бардина / Браттейна) и выданного 25 сентября 19 г.51.
• Патент США: 2 502 488: Полупроводниковый усилитель: еще один патент Шокли, поданный в сентябре 1948 г. и выданный в апреле 1950 г.

Видео

Технический

• MAKE представляет: The Transistor: отличное, понятное 9-минутное введение в тему транзисторов от Collin Cunningham из MAKE. Объясняет разницу между маломощными (сигнальными) транзисторами и мощными устройствами, почему транзисторы лучше электронных ламп и для чего мы можем использовать транзисторы. Также есть очень хорошее объяснение оригинальных точечных транзисторов Бардина и Браттейна.

Исторический

Нам повезло, что у нас есть сохранившиеся архивные кадры трех первопроходцев в области транзисторов!

• Интервью Уильяма Шокли, 1969 г.: Шокли объясняет, как были изобретены транзисторы и какую роль он в этом сыграл.
• Искра гениальности: История Джона Бардина в Университете Иллинойса: 23-минутный документальный фильм о жизни и работе Бардина.
• Архивы AT&T: доктор Уолтер Браттейн о физике полупроводников: посмотрите, как доктор Браттейн объясняет теорию полупроводников и физику твердого тела (29минут).

Также из архивов вам могут понравиться эти:

• Архивы AT&T: Бутылка волшебства: Как электронные лампы сделали возможным усиление междугородних телефонных звонков. Транзисторы были следующим логическим шагом и изначально разрабатывались именно для той же цели.
• Архивы AT&T: Транзистор: Этот документальный фильм 1953 года исследует вероятное социальное влияние транзисторов.

Как работают транзисторы? — Объясните этот материал

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 8 декабря 2021 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи.
Компьютеры содержат миллиарды
миниатюрных «мозговых клеток». Они называются транзисторами и
они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке.
Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления.
изобретенный более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и
Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, обычный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат такие отдельные транзисторы, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, внутри каждого из которых могут быть тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов. (Технически, если вас интересуют более сложные детали, это кремниевый PNP-транзистор усилителя 5401B. Я объясню, что все это означает, через мгновение.)

Содержание

1. Что на самом деле делает транзистор?
2. Как делают транзистор?
3. Силиконовые бутерброды
4. Как работает переходной транзистор
5. Как работает полевой транзистор (FET)
6. Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?
7. Кто изобрел транзистор?
8. Узнать больше

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Подробный обзор модели 5401B.

Транзистор очень прост и очень сложен. Давайте начнем с
простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент,
может выполнять две разные работы. Он может работать либо как усилитель, либо как переключатель:

При работе в качестве усилителя требуется
в крошечном электрическом токе на одном конце (
входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной
тока) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит
действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей
люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон.
который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в
колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который
усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель,
поэтому вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас.
Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более
юмористическим способом: «Если взять тюк сена и привязать его к
хвост мула, а затем зажег спичку и поджег стог сена,
и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого
мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички,
вы поймете концепцию усиления». 0003

Транзисторы также могут работать как переключатели. А
Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может создать гораздо большую
ток течет через другую его часть. Другими словами, малый
ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные чипы. За
например, микросхема памяти
содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов,
каждый из которых может быть включен или выключен индивидуально. Поскольку каждый
транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может
хранить два разных числа, ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может хранить миллиарды нулей и единиц, и
почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Фото: Компактные слуховые аппараты были одним из первых применений транзисторов, и это относится примерно к концу 1950-х или 1960-м годам. Размером с колоду игральных карт, он был предназначен для ношения в кармане пиджака или на нем. На другой стороне корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, которые усиливают эти звуки, а затем направляют их в маленький громкоговоритель (внизу), который находится в вашем ухе.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли
их друг от друга, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с
немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как
дело привело к другому. Но электроника совсем другая. это все
об использовании электронов для управления электричеством. Электрон – это
минута
частица внутри атома. Он такой маленький, он весит чуть меньше
0,0000000000000000000000000000001 кг! Работают самые современные транзисторы
управляя движением отдельных электронов, так что вы можете
представьте, какие они маленькие. В современном компьютерном чипе размер
ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов
и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет никакой возможности разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает.
работает, поэтому мы должны понимать это с помощью теории и воображения.
Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делают транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит
электричество (он не позволяет электронам легко проходить через него).
Кремний — это полупроводник, а значит,
ни на самом деле
проводник (что-то вроде металла, который пропускает электричество) ни
изолятор (что-то вроде пластика, который останавливает ток). Если
мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование),
мы можем заставить его вести себя по-другому
путь. Если мы легируем кремний химическими элементами мышьяком, фосфором,
или сурьмы, кремний получает несколько дополнительных «свободных» электронов, которые
может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать
из него более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний
обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный
тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор,
галлий и алюминий. В кремнии, обработанном таким образом, их меньше.
«свободные» электроны, поэтому электроны в близлежащих материалах будут стремиться влиться в него. Мы называем этот вид кремния p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни кремний p-типа на самом деле не имеют заряда в себе : оба являются электрически нейтральными. Это правда, что у кремния n-типа есть дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как у кремния p-типа этих свободных электронов меньше, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом. В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, составляющему нейтральный для начала — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Более подробное объяснение потребовало бы, чтобы я представил идею под названием
ленточная теория, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «дополнительные электроны» означают дополнительные свободных электронов, которые могут свободно перемещаться и помогают проводить электрический ток.

Силиконовые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа силикона. Если мы сложим их вместе
в слоях, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать
различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах
способы.

Рисунок: соедините кремний n-типа с кремнием p-типа, и вы получите n-p переход, который является основой диодов и транзисторов.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с кусочком p-типа.
силикон и поставить электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно
вещи начинают происходить на стыке двух
материалы. Если мы обратимся
на токе, мы можем заставить электроны течь через переход от
со стороны n-типа на сторону p-типа и наружу по схеме. Этот
происходит из-за отсутствия электронов на стороне р-типа
переход перетягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но
если
мы реверсируем ток, электроны вообще не будут течь. Что у нас есть
сделанный здесь называется диод (или выпрямитель).
это электронный
компонент, пропускающий ток только в одном направлении. Это
полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в
постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они излучали
светятся, когда через них проходит электричество. Вы могли видеть эти
светодиоды на карманных калькуляторах и электронных
дисплеи на стереоаппаратуре Hi-Fi.

Принцип работы переходного транзистора

Фото: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, предназначенный для усилителя звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя силикона в нашем бутерброде.
из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с кусочком n-типа
кремния в качестве заполнения между двумя ломтиками p-типа) или n-p-n
сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа). Если мы
присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем
сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо
выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае
n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем
электрические контакты. Мы позвоним двум контактам, соединенным с двумя
кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор,
и контакт
соединенный с кремнием p-типа, мы назовем его основанием. Когда нет
ток
течет в транзисторе, мы знаем, что кремнию p-типа не хватает
электронов (показанных здесь маленькими знаками плюс, представляющими положительные
заряды), а два куска кремния n-типа имеют дополнительные электроны
(показаны маленькими знаками минус, представляющими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что хотя n-тип имеет
избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны
должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращая любое
при этом протекает значительный ток от эмиттера к коллектору.
транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться
через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давайте
подключите транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы присоединяем небольшой
положительное напряжение на базу, делает эмиттер отрицательно заряженным, и
сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из
эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также
транзистор переходит в состояние «включено»:

Небольшой ток, который мы включаем на базе, создает большой ток
поток между эмиттером и коллектором. Повернув небольшой вход
ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но
он также действует как переключатель в то же время. Когда нет тока на
база, между коллектором и
эмиттер. Включите базовый ток и течет большой ток. Итак, база
ток включает и выключает весь транзистор. Технически это
тип транзистора называется биполярным, потому что
два разных вида (или «полярности») электрического заряда (отрицательные электроны и
положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С
база положительная, а эмиттер отрицательный, переход база-эмиттер подобен прямому смещению.
диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в
диаграмме) и отверстия, идущие в обратном направлении (справа налево). База-сборщик
переход подобен диоду с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет
большая часть электронов проходит через внешнюю цепь и попадает во внешнюю цепь (хотя некоторые электроны действительно рекомбинируют с дырками в базе).

Как работает полевой транзистор (FET)

Работа всех транзисторов основана на управлении движением электронов, но
не все они делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор
(полевой транзистор) имеет три разных вывода, но они
имеют названия исток (аналог эмиттера), сток
(по аналогии с
коллектор), и затвор (аналог основания). В полевом транзисторе
слои
кремний n-типа и p-типа устроены немного по-разному и
покрытые слоями металла и оксида. Это дает нам устройство, называемое
МОП-транзистор (поле оксида металла и полупроводника)
эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть дополнительные электроны,
они не могут течь от одного к другому из-за отверстий в
ворота р-типа между ними. Однако, если мы присоединим положительный
напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее
электроны текут по тонкому каналу от истока к стоку. Этот
«эффект поля» позволяет течь току и включает транзистор:

транзистор потому что только один вид («полярность»)
электрического заряда участвует в том, чтобы заставить его работать.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать о
электроны и дырки, если вы не собираетесь
чтобы зарабатывать на жизнь разработкой компьютерных чипов! Все, что вам нужно знать, это то, что
транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток
чтобы включить больший. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать:
как все это помогает компьютерам хранить
информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных переключателей, чтобы сделать что-то
называется логическим вентилем, который сравнивает несколько
входные токи и в результате дает другой выход. Логические ворота позволяют компьютерам делать
очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Ваш мозг принимает решения точно так же. Например,
используя «входные данные» (вещи, которые вы знаете) о погоде и о том, что у вас есть в
вашей прихожей, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я
возьми зонт, я пойду в
магазины». Это пример булевой алгебры с использованием так называемого И
«оператор» (слово «оператор» — это всего лишь немного математического жаргона для
заставить вещи казаться сложнее, чем они есть на самом деле). Ты можешь сделать
аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег,
тогда я надену пальто»
пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь И я
есть зонт ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выходить на улицу». Используя AND,
ИЛИ и другие операторы, называемые
NOR, XOR, NOT и NAND, компьютеры могут складывать или сравнивать двоичные числа.
Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическое
серия инструкций, которые заставляют компьютеры что-то делать.

Обычно переходной транзистор «выключен» при отсутствии базы
тока и переключается в положение «включено», когда протекает базовый ток. Это означает, что это
потребляет электрический ток для включения или выключения транзистора. Но
такие транзисторы можно соединить с логическими вентилями, чтобы их выход
соединения возвращаются на свои входы. Транзистор
затем остается включенным даже при отключении базового тока. Каждый раз новый
база
течет ток, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из
эти стабильные состояния (либо включено, либо выключено) до тех пор, пока другой ток
приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая договоренность
известен как триггер, и он превращает
транзистор в простой
запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или единица (когда он
на). Триггеры — это основная технология, используемая в микросхемах компьютерной памяти.

Кто изобрел транзистор?

Произведение искусства: оригинальная конструкция точечного транзистора, изложенная в
Американский патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после
оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с
тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).
Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый).
Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже.
Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Транзисторы были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году.
тремя блестящими американскими физиками: Джоном Бардином (1908–1991), Уолтером
Браттейн (1902–1987) и Уильям
Шокли (1910–1989).

Группа под руководством Шокли пыталась
разработать новый тип усилителя для телефонной системы США, но что
они на самом деле изобрели оказались гораздо более распространенными
Приложения. Бардин и Браттейн создали первый практичный транзистор.
(известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря, 1947.
Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был
разъяренный и взволнованный тем, что его оставили в стороне. Вскоре после этого, во время
остановиться в гостинице на конференции по физике, он в одиночку вычислил
теория переходного транзистора — гораздо лучшего устройства, чем
транзистор с точечным контактом.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил
добиться еще большего успеха, изучая сверхпроводники в Иллинойском университете),
Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.
Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить
современное явление, которое называется «Силиконовая долина» (процветающий район
вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники
собрались). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли
основал Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда
они разделили высшую науку в мире
награда, т.
Нобелевская премия по физике 1956 г.,
за их открытие. Их история
захватывающая история о
интеллектуальный блеск борется с мелкой завистью, и это хорошо
стоит прочтения
больше о. Вы можете найти несколько замечательных рассказов об этом среди книг и
веб-сайты, перечисленные ниже.

Подробнее

На этом сайте

• Компьютеры: краткая история
• Флэш-память
• Интегральные схемы
• Логические элементы
• Тиристоры

Другие веб-сайты

• The Journey Inside: образовательный веб-сайт Intel, посвященный транзисторам и интегральным схемам.
• Transistorized !: веб-сайт PBS о Бардине, Браттейне, Шокли и истории транзисторов.
• Транзистор: узнайте о транзисторах в увлекательной игровой форме с помощью игр и интерактивов на веб-сайте Нобелевской премии.
  [Архивировано через Wayback Machine.]

Книги

Технические и практические

• Марка: Electronics by Charles Platt. O’Reilly, 2015. Четкий, хорошо иллюстрированный учебник для начинающих в области электроники и отличное место для начала увлеченного подростка. Эксперимент 10 начинается с покрытия транзисторов.
• Начало работы в области электроники, Форрест М. Мимс III. Издательство Master Publishing, 2003 г. Надежное введение с множеством примеров схем, которые можно попробовать.
• Искусство электроники, Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Издательство Кембриджского университета, 2015 г. Это гораздо более подробный учебник для студентов, которым я сам пользовался в колледже.
• Почему вещи такие, какие они есть, Б.С. Чандрасекар. Издательство Кембриджского университета, 1998. Относительно простое для понимания, в основном не математическое введение в физику твердого тела; по сути, это объясняет, как на самом деле работают твердые тела изнутри. Глава 10 объясняет электрические токи и полупроводники.

Исторический

• Электронная революция: изобретение будущего Дж. Б. Уильямса. Springer, 2017. Обширный обзор того, как электроника изменила нашу жизнь за последнее столетие или около того.
• Хрустальный огонь: The
  Изобретение транзистора и рождение века информации Майклом Риорданом и Лилиан Ходдесон. WW Norton & Co., 1998. Очень читаемая история транзисторов и интегральных схем.

Статьи

Технические

• Этот 40-летний транзистор изменил индустрию связи Джоанна Гудрич, IEEE Spectrum, 26 декабря 2019 г. Празднование быстро переключающихся транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), изобретенных в 1979 Такаши Мимура из Fujitsu.
• Приветствую перовскитные транзисторы Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 16 января 2019 г. Как кристаллы перовскита можно «нарисовать» на подложке для изготовления полевых транзисторов.
• Является ли NanoRing от Qualcomm транзистором (ближайшего) будущего? Сэмюэл К. Мур. IEEE Spectrum, 14 декабря 2017 г. Как и почему Qualcomm остановилась на устройствах, называемых нанокольцами, в качестве потенциально новых типов транзисторов.
• Размеры затвора транзисторов в один нанометр были достигнуты Декстером Джонсоном. IEEE Spectrum, 7 октября 2016 г. Будущее за нанотранзисторами из углеродных нанотрубок?
• Преемник транзистора, установленный Венди М. Гроссман, чтобы скоро наступить век «Машины». Scientific American, 22 июля 2014 г. В основе компьютеров завтрашнего дня могут лежать мемристоры, а не транзисторы.
• Представляем вакуумный транзистор: устройство, сделанное из ничего, Джин-Ву Хан и Мейя Мейяппан. IEEE Спектр. 23 июня 2014 года. Частично вакуумная лампа, частично транзистор, он может работать в 10 раз быстрее, чем кремний, утверждают исследователи NASA Ames.
• Intel переходит на 3D-технологии, реконструируя транзистор Чарльз Артур, Guardian, 4 мая 2011 г. Создание «трехмерных» транзисторов позволяет инженерам втиснуть еще больше их в одно и то же пространство.
• Прыжок в микромир после транзистора
  Джон Маркофф. The New York Times, 31 августа 2009 г. Какие устройства могут заменить транзисторы?

Исторический

• В картинках: Transistor History: BBC News, 15 ноября 2007 г. Фотографии пионеров транзисторов, первых транзисторов и схем.
• Утерянная история транзистора Майкла Риордана. IEEE Spectrum, 30 апреля 2004 г.

.

• Транзисторная физика У. Шокли. Американский ученый, 19 января.54, стр. 41–72.

Патенты

• Патент США: 2,524,035: Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов: оригинальный патент на точечный транзистор, поданный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном 17 июня 1948 г. и выданный в октябре 1950 г.
• Патент США: 2 569 347: элемент схемы, использующий полупроводниковый материал: это было яростное продолжение первоначального патента Шокли, поданного 26 июня 1948 г. (примерно через 10 дней после первоначального патента Бардина / Браттейна) и выданного 25 сентября 19 г.51.
• Патент США: 2 502 488: Полупроводниковый усилитель: еще один патент Шокли, поданный в сентябре 1948 г. и выданный в апреле 1950 г.

Видео

Технический

• MAKE представляет: The Transistor: отличное, понятное 9-минутное введение в тему транзисторов от Collin Cunningham из MAKE.