Milleks on transistorid: mis tüübid ja tüübid on olemas, kasutusvaldkonnad

Et mõista, milleks transistor on, aitab kõige paremini see analoogia: kui elusorganismis on väike rakk tellis, siis digipöördes on transistor tellis. Ilma selleta erineksid kõik tehnoloogilised imed, mida me igapäevaselt kasutame (mobiiltelefonid, arvutid, autod) tänapäevastest oluliselt või poleks neid üldse olemaski.

Ajalooline ülevaade

Enne elektriahelate pooljuhtelementide leiutamist kasutasid disainerid samadel eesmärkidel vaakumtorusid ja mehaanilisi lüliteid. Lambid polnud kaugeltki ideaalsed. Enne tööle asumist vajasid nad soojendamist, nad ei saanud kiidelda töökindluse, ebausaldusväärsuse ja kompaktsusega, kulutasid liiga palju energiat. Kõik seadmed, alates televiisorist ja lõpetades varasemate arvutitega, põhinesid neil.

Pärast Teist maailmasõda otsisid teadlased aktiivselt lampidele alternatiivi ja leidsid vastuse 1920. aastate lõpus Julius Lilienfeldi töödest. See Poola-Ameerika füüsik on esitanud patendi vasksulfiidist valmistatud kolmeelektroodilisele seadmele. Kahjuks puuduvad tõendid selle kohta, et ta tegelikult töötaks seadme. Kuid tema uuringud aitasid luua seda, mida tänapäeval nimetatakse väljatransistoriks.

Kakskümmend aastat pärast Lilienfeldi vajas Bell oma sidesüsteemide jaoks hädasti midagi paremat kui lambid. Ta kogus vaakumelementide asendajate uurimisega tegelema suure teadusmeeskonna, kelle hulka kuulusid:

• John Bardeen;
• Walter Brattain;
• William Shockley.

1947. aastal oli Shockley Belli transistoride uurimise direktor, Brattain oli tahkisfüüsika autoriteet ning Bardeen elektriinsener ja füüsik. Nad katsetasid edukalt germaaniumiga aasta ja varsti pärast seda täpsustas Shockley oma ideid, arendades välja transistori ristmiku. Järgmisel aastal teatas Bell maailmale, et on leiutanud töötava pooljuhttrioodi. 1956. aastal sai teadlaste meeskond selle avastuse eest Nobeli füüsikaauhinna.

Ilma sellest aru saamata on võimatu mõista leiutise ulatust ja seda, miks transistore vaja on Fakt: need väikesed seadmed on teinud tehnoloogias ühe suurima hüppe inimkond. Ja see pole liialdus – need muutsid tõesti ajaloo kulgu.

Lihtsustatud tööskeem

Transistorid on seadmed, mis juhivad elektronide liikumist ja seega ka elektrivoolu. Et mõista, mida transistor teeb, sobib kõige paremini analoogia veekraani ja vedeliku vooluga, kuid erinevalt viimastest ei suuda nad mitte ainult voolu läbida või blokeerida, vaid on ka võimelised seda kontrollima number. Transistoride kasutusala on äärmiselt lai ja põhineb asjaolul, et elektroonilise komponendina suudab see täita kahte erinevat funktsiooni:

1. Võimendi. Selles võimsuses võtab see vastu väikeseid elektrivoolusid ühes terminalis ja tekitab väljundahelas olulisi voolusid. Seda omadust kasutatakse elektroonikas signaalide võimendamiseks, tänu millele on transistorid asendanud torutrioodid.
2. Lüliti. Sõltuvalt signaali olemasolust või puudumisest juhtelektroodil on see võimeline vooluringi sulgema või avama. Nii töötavad arvutikiibid. Näiteks mälukiip sisaldab sadu miljoneid või isegi miljardeid transistore, millest igaüks saab sisse või välja juhtida. Kuna kõik need skeemis on ainult ühes kahest olekust, võivad nad olla binaarse teabe hoidjad - null või üks. Miljarditest transistoridest koosnev kiip on võimeline salvestama miljardeid nulle ja ühtesid.

Põhistruktuur

Korpus, isolatsioon, pooljuhtkristall, metalljuhtmed - sellest koosneb transistor. Pooljuhtide erinev doping võimaldab teil luua kahte tüüpi selle struktuuri:

• p-tüüp;
• n-tüüpi.

Kristall ise on neid kahte tüüpi võileib, mis on paigutatud nii, et võileiva kaks identset kihti sisaldavad vastandlikke kihti. Sõltuvalt nende kombinatsioonist nimetatakse transistori kas p-n-p või n-p-n tüüpi. Vastavate kihtidega ühendatud kolme kontakti nimed on ühised kõikidele bipolaarsetele ja väljadele vastavalt transistorid ja kajastavad nende eesmärki (väljaefektiga seotud terminid on näidatud sulgudes):

• alus (luugi);
• kollektor (äravool);
• emitter (allikas).

Alus (värav) saab nõrga juhtsignaali ja tugev kollektorivool (allikast äravooluni) voolab kahe ülejäänud kontakti vahel. Viimane muutub sõltuvalt baasvoolust. Väliselt näeb transistor välja nagu kolme klemmiga raadioelektrooniline komponent.

Tüübid ja tüübid

Transistoride leiutamise ajastus ei olnud juhuslik. Nende kristallide nõuetekohaseks toimimiseks on vaja puhtaid pooljuhtmaterjale. Just pärast Teist maailmasõda toimus germaaniumi saamise tehnoloogia areng, samuti edusammud selles valdkonnas legeerimine võimaldas saada pooljuhtide seeriatootmiseks sobivaid materjale seadmeid.

Hiljem hakati kommertselektroonikas germaaniumi asemel kasutama räni. Sellel põhinevad pooljuhid on töökindlamad ja soodsamad kui germaanium. Räni sobib arvutite tootmiseks. Kiipides ei ole transistorid isoleeritud eraldi komponentidena, vaid need on osa nn integreeritud komponentidest vooluahel ja asuvad ühel pooljuhtkristallil koos teiste elementidega - kondensaatorid ja takistid. Kaasaegsed räniseadmed mikrokiibis on nii väikesed, et nende mõõtmeid mõõdetakse nanomeetrites.

Nende seadmete valmistamiseks kasutatavate materjalide areng ei seisa paigal. Tänu viimastele edusammudele võib materjal nimega grafeen saada 21. sajandil trioodide aluseks. See kannab elektrone palju kiiremini kui räni ja võib olla aluseks arvutikiipidele, mis on suurusjärgu võrra tõhusamad kui ränipõhised pooljuhid.

Transistorid ei piirdu nende jagunemisega kristalli materjali järgi. On kaks suurt rühma, mis erinevad juhtimismeetodite poolest:

• väli;
• bipolaarne.

Sõna "väli" tähendab, et väravat juhib elektriväli, see tähendab, et äravoolu ja allika vahelise voolu muutmiseks piisab pinge muutmisest. Ja bipolaarsetes reaktsioonides saavutatakse kollektori vool, muutes voolu aluses. Bipolaarseid seadmeid kasutati massiliselt 1960ndatel ja 70ndatel ning need on meie ajal nõutud. analoogskeemide elemendid peamiselt seetõttu, et neid on lihtne valmistada ja neil on suur lineaarsus. Valdkond on hõivanud peaaegu kogu digitaalsete vooluahelate turuosa.

On ka teist tüüpi transistore. Neid kataloogitakse mitte ainult tööpõhimõtte, vaid ka võimsuse, töösageduste, struktuuri, rakenduse ja muude näitajate järgi. Nende seadmete areng jätkub aeglustumata. Näiteks Lõuna-Korea teadlased on hiljuti loonud ühest benseeni molekulist valmistatud p-n-ristmiku. Kaasaegsed kiibid toodavad palju raisatud soojust. Sellega seoses võib molekulaartransistoridel olla suur tulevik – neist võib saada energiatõhususe parandamise võti.

Sõltumata sellest, millistes suundades tehnoloogiaid arendatakse, on see ilmne tänu aktiivsele uurimistööle Transistoride täiustamise viisid muutuvad arvutid kiiremaks, odavamaks ja töökindlamaks ning mobiiltelefonid veelgi kergemaks ja kompaktsem. Need väikesed seadmed kujundavad jätkuvalt tehnoloogilist maastikku ja lõpuks kogu meie ühiskonda. See on imeline saatus üle 60 aasta tagasi leiutatud lihtsale seadmele.