Транзистор: разбираемся, что это такое и важность этого компонента

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами — крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры также содержат миллиарды миниатюрных «мозговых клеток». Они называются транзисторами и сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике, так как они были изобретены более полувека назад Джон Бардин, Вальтер Браттен e Уильям Шокли. Но что такое транзистор и как они работают?

Что делает транзистор

Транзистор одновременно и очень прост, и очень сложен. Начнем с простой части: это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные функции: работать как усилитель или переключатель.

При работе в качестве усилителя он получает небольшой электрический ток на одном конце (входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель сигнала.

Это очень полезно в таких устройствах, как слуховые аппараты, для которых впервые были использованы транзисторы. Слуховой аппарат имеет крошечный микрофон, который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи.

Они подаются на транзистор, который управляет ими и небольшим динамиком, так что вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас.

Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студентам транзисторные усилители в более юмористической форме:

«Если вы возьмете тюк сена и привяжете его к хвосту мула, а затем зажжете спичку в пылающем тюке сена, и если вы сравните энергию, израсходованную мулом сразу же после этого, с энергией, израсходованной вами при ударе матча, вы поймете концепцию усиления».

Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора

Транзисторы также могут работать как переключатели. Небольшой электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может вызвать протекание гораздо большего тока через другую его часть. Другими словами, маленькая цепочка соединяет большую.

По сути, так работают все компьютерные чипы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать и выключать по отдельности.

Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных 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).

Самое замечательное в старых машинах было то, что их можно было разобрать, чтобы узнать, как они работают. Никогда не было слишком сложно, немного подтолкнув здесь и повозившись там, выяснить, какой бит делает что и как одно ведет к другому. Но электроника совсем другая.

Электроника изучает использование электронов для управления электричеством. Электрон — это крошечная частица внутри атома. Он настолько мал, что весит чуть меньше 0,000000000000000000000000000001 кг! Самые передовые транзисторы работают, управляя движением отдельных электронов, так что вы можете себе представить, насколько они крошечные.

На современном компьютерном чипе размером с ноготь вы, вероятно, найдете от 500 миллионов до двух миллиардов отдельных транзисторов. Нет никакой возможности разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения. Во-первых, нам нужно знать, из чего сделан транзистор.

Как делают транзистор

Транзисторы сделаны из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (не позволяет электронам свободно течь). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он на самом деле не проводник (что-то вроде металла, пропускающего электричество) и не изолятор (что-то вроде пластика, препятствующего прохождению электричества).

Если мы обработаем кремний примесями (процесс, известный как допинга), мы можем заставить его вести себя по-другому. Если мы используем кремний с такими химическими элементами, как мышьяк, фосфор или сурьма, кремний получает некоторое количество «свободных» электронов — тех, которые могут проводить электрический ток, — поэтому поток электронов будет более естественным.

Поскольку электроны заряжены отрицательно, кремний, обработанный таким образом, называется тип н (отрицательный тип). Мы также можем использовать силикон с другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий. Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше этих «свободных» электронов, поэтому электроны из близлежащих материалов имеют тенденцию течь в него. Мы называем такого рода тип р кремний (положительный тип).

Однако также важно отметить, что ни кремний в тип н или тип р на самом деле в них есть заряд: оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.

В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) примесных атомов к кремнию, который изначально был нейтральным, а мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Более подробное объяснение потребовало бы от меня введения идеи, называемой ленточной теорией, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «дополнительные электроны» означают дополнительные свободные электроны — те, которые могут свободно двигаться и помогают проводить электрический ток.

силиконовые бутерброды

Существует два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, сделав сэндвичи из полиэтилена n-типа, мы сможем создавать различные типы электронных компонентов, которые работают во всех отношениях.

Предположим, мы соединяем кусок кремния типа na с кусочком кремния типа p и размещаем электрические контакты с обеих сторон. На стыке двух материалов начинают происходить интересные и полезные вещи.

Если мы включим ток, мы можем заставить электроны течь через переход со стороны n-типа на сторону p-типа и выходить через цепь. Это происходит потому, что недостаток электронов на стороне р-типа перехода притягивает электроны на стороне n-типа, и наоборот.

Но если мы реверсируем ток, электроны не будут течь. То, что мы здесь сделали, называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, пропускающий ток только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите преобразовать переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (однонаправленный) ток.

Диоды также можно сделать так, чтобы они излучали свет, когда через них проходит электричество. Эти светоизлучающие диоды (LED) уже присутствуют в экранах телевизоров, мониторах, смартфонах и планшетах и ​​экранах (и даже в лампах), обеспечивая более высокое качество изображения и генерируя гораздо меньшее энергопотребление, чем технологии, использовавшиеся ранее на этих типах устройств. .

Как работают транзисторы в компьютерах

На практике вам не нужно ничего знать об электронах и электронике в целом, если только вы не зарабатываете на жизнь проектированием компьютерных микросхем. Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток для включения усилителя. Но есть еще кое-что, о чем стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем собрать вместе несколько транзисторных переключателей, чтобы создать что-то, называемое логическим вентилем, который сравнивает различные входные токи и в результате дает другой выход. Логические вентили позволяют компьютерам принимать очень простые решения, используя математический метод, называемый булева алгебра.

Ваш мозг принимает решения точно так же. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и ваших обязательствах, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь E Если у меня будет зонтик, я пойду на рынок». Это пример булевой алгебры с использованием того, что называется И «оператор» (слово «оператор» — это всего лишь немного математического жаргона, чтобы вещи звучали сложнее, чем они есть на самом деле).

Вы можете принять аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено OU идет снег, поэтому я надену пальто» — пример использования оператора OR. Или как насчет «Если идет дождь E у меня есть зонтик OU У меня есть пальто, так что можно выйти».

Используя И, ИЛИ и другие операторы, называемые ИЛИ, исключающее ИЛИ, НЕ и И-НЕ, компьютеры могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая последовательность инструкций, позволяющая компьютерам выполнять всевозможные задачи.

Обычно переходной транзистор выключается, когда ток базы отсутствует, и включается, когда ток базы течет. Это означает, что для включения или выключения транзистора необходим электрический ток.

Но такие транзисторы можно соединить с логическими вентилями, чтобы их выходные соединения возвращались к их входам. Транзистор остается открытым даже при снятии базового тока. Каждый раз, когда протекает новый базовый ток, транзистор «включается» или выключается.

Он остается в одном из этих стабильных состояний (включен или выключен) до тех пор, пока не появится другой ток и не перевернется в другую сторону. Этот тип устройства известен как триггер, и он превращает транзистор в простое запоминающее устройство, которое хранит ноль (когда он выключен) или единицу (когда он включен). Триггеры — это основная технология, используемая в микросхемах компьютерной памяти.

Кто бы мог подумать, что такая маленькая часть будет отвечать за столь большую часть наших технологий сегодня? Если бы не простые, но мощные возможности транзисторов, вы, вероятно, не читали бы этот текст сегодня.