Интернет, компьютеры, софт и прочий Hi-Tech

Подписаться через RSS2Email.ru

Транзистор — полупроводниковый триод

Внутри практически любой современной микросхемы находится великое множество крошечных транзисторов. В процессорах, видеокартах, чипсетах и флэш-накопителях — сотни миллионов, миллиарды. Без них не было бы ни компьютеров размером меньше двухэтажного дома, ни мобильных телефонов, умещающихся в карман. Таскали бы в рюкзаках ламповые рации, как в старину. Транзистор — это фактически главная радиодеталь в нынешней электронике. Следовательно, такой штуке ну никак нельзя не уделить внимания.

Немного истории

Первый полевой транзистор был запатентован в 1934-м году немецким инженером по имени Оскар Хайл (Oskar Heil). Полевой — потому что работает благодаря возникновению внутри него электрического поля, за счёт чего удаётся создавать электродвижущие силы и управлять током.

Хотя, справедливости ради необходимо отметить, что идею запатентовал австриец Юлий Эдгар Лилиенфельд ещё в 1928-м. Однако в те времена больше ценили материальное воплощение концепций, нежели теоретические выкладки. Это сейчас берут патенты на прямоугольники с закруглёнными краями.

Далее по списку у нас — изобретение биполярного транзистора. Любители искать инопланетян непременно скажут, что такие устройства были найдены в летающей тарелке, разбившейся летом 1947-го в США рядом с какой-то фермой, исследованы и выданы за собственную, земную разработку.

Как было всё на самом деле, сказать трудно, особенно если в пришельцев не верить. Однако биполярный транзистор был официально представлен миру 23 декабря того же 1947-го. Изобретателями считаются Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, работники конторы Bell Labs. Через девять лет им за это дали Нобелевскую премию. Именно им, а не зелёным человечкам с других планет.

Принцип действия

Для начала разберёмся, что такое полупроводник. Почему «полу»? Потому что умеет пропускать ток только в одну сторону.

Достигается это за счёт так называемого электронно-дырочного перехода. Сплавляются два куска материалов с определёнными свойствами. С какими именно? У одного электронов накапливается много. У другого, «дырки», — мало.

Электроны, поступающие в прибор, будут двигаться в направлении, обусловленном разностью потенциалов, ведь в штатном рабочем режиме это «много — мало» сохраняется.

Примерно по такому принципу работают диоды. Если подать на них переменный (двусторонний) ток, они превращают его в односторонний. Или, как говорят радиоинженеры, выпрямляют в пульсирующий постоянный.

Теперь представьте себе, что в эту систему добавили третий контакт, тоже приносящий какие-то электроны. То есть, сделали из диода полупроводниковый триод.

Что будет с дополнительно поступающими электронами? Они сольются с теми, которые уже текут в одном направлении (от источника питания), и, главное, отдадут им свои импульсы.

Допустим, это импульсы звуковой частоты. Тогда ток от источника питания обретёт те же частоты и дополнит собой входной сигнал — усилит его. Звук станет громче.

Конечно, это весьма упрощённое толкование принципа действия. На самом деле транзисторы способны не только усиливать сигналы, но также служить обычными диодами, а ещё электронными ключами, поскольку умеют блокироваться (закрываться) при отсутствии нужных для работы потенциалов, генераторами всяческих частот, стабилизаторами etc.

То есть, приборы практически универсальные. В отличие от, скажем, тиристоров, тоже обладающих тремя контактами и сходной структурой, но умеющими осуществлять только переключение.

Полевой транзистор

Внутри этого прибора под воздействием тока возникает электрическое поле. Наружу торчат три контакта, вывода:

  1. исток (на английском Source) — получает сигналы, которые нужно усиливать или ещё как-нибудь обрабатывать;
  2. сток (он же Drain) — выводит обработанные сигналы;
  3. затвор (то бишь, Gate) — служит для подачи управляющего тока.

Чем управляет ток, входящий через затвор? Каналом транзистора. В зависимости от конструктивно обусловленной полярности прибора, канал помечается латинскими буквами «n» или «p». Именно в нём происходит вся полезная работа.

Затвор может быть изолирован, отделён от канала оксидной плёнкой. Тогда получается МОП-структура (МОП расшифровывается как «металл — оксид — полупроводник»). Собственно говоря, почему бы его и не изолировать, ведь какое-либо воздействие происходит за счёт наличия электрического поля, гальваническая связь не так уж нужна. Кстати, такой транзистор также называют униполярным.

Биполярный транзистор

У биполярного транзистора три контакта:

  1. база, куда обычно подаётся то, что нужно усиливать;
  2. коллектор;
  3. эмиттер.

У такого прибора внутри аж три слоя. Представьте себе чашку чая, в которой плавает ломтик лимона. Корпус чашки — коллектор. База — чай. А эмиттеру отводится самый маленький кусочек — ломтик.

Структуры переходов обозначаются как p-n-p (эмиттер подключён к плюсу источника питания) и n-p-n (к минусу). Какой канал откроется, туда всё и устремится. Но в обычном режиме работы открыт эмиттерный переход к базе, а коллекторный, соответственно, заперт наглухо.

В общем-то, манипулируя напряжениями на контактах и схемами подключения, можно добиваться разных режимов работы (инверсный, барьерный, режим отсечки). Но это забота инженеров, проектирующих разные хитрые устройства.

Флэш-память

Флэш-накопители (флэшки, всевозможные карты памяти) содержат в себе миллиарды полевых МОП-транзисторов с так называемым плавающим затвором. Конструктивная особенность позволяет превращать систему оного затвора в своеобразный карман, захватывающий и удерживающий электрический заряд. Он и считывается как бит.

Стирание и запись реализуются посредством подачи управляющих напряжений на сток и исток. При этом происходят необратимые изменения, связанные с диффузией атомов под воздействием электрического поля и общей ненадёжностью всей материи в этом тленном мире.

Запоминающие ячейки изнашиваются и выходят из строя эдак тысяч через десять циклов стирания-записи. Если флэшка недорогая — значительно раньше. (Однако, вполне вероятно, контроллер накроется медным тазом ещё раньше.)

Заключение

Итак, транзистор — полупроводниковый триод с весьма широкой функциональностью. В умелых руках, при наличии светлой инженерной мысли, такой прибор способен управлять электрическим током, его силой, напряжением, генерировать что-то нужное, ну и вообще творить чудеса.

Желающие стать радиоинженерами, проектировщиками вычислительных устройств, компьютерных комплектующих и периферии, просто обязаны досконально изучить этот важнейший структурный кирпичик, основной элемент электронной техники.

Автор: vanilinkin, специально для xBB.uz, 15.03.2013


Предыдущие публикации:

Биржа долевых инвестиций SIMEX.

Последнее редактирование: 2013-03-15 15:47:32

Метки материала: транзистор, триод, полупроводниковый триод, техника электроника, устройства электроники, радиоэлектроника, высокие технологии, электротехника и электроника, радиотехника и электроника, техника и электроника, электронные технологии, основы электроники

Оставьте, пожалуйста, свой комментарий к публикации

Представиться как     Антибот:
   

Просьба не постить мусор. Если вы хотите потестить xBB, воспользуйтесь кнопкой предварительного просмотра на панели инструментов xBBEditor-а.


© 2007-2017, Дмитрий Скоробогатов.
Разрешается воспроизводить, распространять и/или изменять материалы сайта
в соответствии с условиями GNU Free Documentation License,
версии 1.2 или любой более поздней версии, опубликованной FSF,
если только иное не указано в самих материалах.