Как это устроено: транзисторы

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что внутри транзистора

Если бы мы могли разрезать один транзистор в микропроцессоре, мы бы увидели что-то вроде этого:

Слева — проводник, по которому бежит ток, справа — просто проводник, пока без тока. Между ними находится проводящий канал — те самые «ворота». Когда ворота открыты, ток из левого проводника поступает в правый. Когда закрыты — правый остаётся без тока. Чтобы ворота открылись, на них нужно подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то ворота закрыты.

Теперь, если грамотно посоединять тысячу транзисторов, мы получим простейшую вычислительную машину. А если посоединять миллиард транзисторов, получим ваш процессор.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Полупроводники и диэлектрики

Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

Все это увлекательно, но было бы достаточно бесполезно без легирования примесями.

Если атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заместить пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Пятый электрон не участвует в формировании ковалентных связей, он слабо связан с ядром и поэтому легко может перейти в зону проводимости и стать свободным носителем заряда, оставляя при этом неподвижный, положительно заряженный ион. Такая примесь называется донорной, а получившийся полупроводник — полупроводником n-типа (negative).

Если же атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заменить трехвалентным элементом, он сможет образовать лишь 3 из 4 ковалентных связей в решетке, так как для образования четвертой ему потребуется электрон из другой ковалентной связи. В такой комбинации образуется вакантное место — подвижная положительно заряженная дырка, и при этом остается неподвижный отрицательно заряженный ион примеси. Такая примесь называется акцепторной, а получившийся полупроводник — полупроводником p-типа (positive).

Обращаю внимание, что собственный полупроводник, полупроводник n-типа или p-типа являются электрически нейтральными и имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов. Разница лишь в том, что у легированных полупроводников «зеркальные» электронам и дыркам заряды — это неподвижные ионы примеси, прочно сидящие в кристаллической решетке. В нелегированном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок, в легированном же (например, донорном) количество электронов превышает количество дырок, так как большая часть из них заменена на неподвижные ионы примеси.

Если соединить теперь полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, мы получим диод. Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.

Рассмотрим, что же происходит на границе полупроводников. В n-полупроводнике высокая концентрация электронов, а в p-полупроводнике — низкая. Электроны, подобно газу, начнут перемещаться (диффундировать) из области с высокой концентрацией в область с более низкой.

Аналогично будут поступать и дырки из p-полупроводника.

Вследствие перемещений возникает диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации носителей заряда. Переходя через границу, подвижные носители заряда обнажают неподвижные ионы примеси, которые создают «останавливающее», противоположно направленное поле или, иначе, компенсирующий дрейфовый ток.

В отсутствие внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. Если внешнее поле приложено по направлению, оно компенсирует поле неподвижных ионов и открывает заслонку для диффузионного тока.

Если поле приложено в противоположном направлении, оно усиливает лишь дрейфовый ток, ничтожно малый, по сравнению с диффузионным.

Таким образом мы получаем элемент, который проводит ток в одну сторону и не проводит в другую.

Преимущества компьютеров второго поколения

Некоторые из преимуществ компьютеров второго поколения перечислены ниже:

• Из-за использования транзисторов компьютеры второго поколения были сравнительно небольшими и портативными.
• Компьютеры второго поколения потребляли меньше энергии и выделяли меньше тепла, чем компьютеры первого поколения.
• Компьютеры второго поколения были относительно дешевле, чем компьютеры первого поколения.
• Проблема аппаратного сбоя была несколько уменьшена по сравнению с компьютерами первого поколения.
• Компьютеры второго поколения были надежнее и быстрее. Они могли вычислять данные за микросекунды.

Что такое «система на чипе»

После того как на печатную плату наносят необходимые элементы, к ядру процессора добавляют контакты, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, а сверху все это прикрывают крышкой. Последняя выполняет несколько функций: во-первых, защищает дорогостоящий кристалл с миллиардами транзисторов, а во-вторых, служит средством для отвода тепла во время работы CPU— воздушные кулеры или водяное охлаждение устанавливают на крышку не просто так.

В какой-то момент стало понятно, что чипы уже стали настолько миниатюрными, что под одной такой защитной крышкой вполне может уместиться не только сам CPU, но и другие компоненты — например, графический чип (GPU), отвечающий за вывод картинки на экран, а еще модули беспроводной связи и модемы. Решение, когда все критически важные для работы компьютера компоненты находятся вместе на одной интегральной схеме совсем рядом друг с другом, называется «система на чипе», или «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).

По сути, такие «системы на кристалле» используются практически во всей современной мобильной технике: смартфонах, планшетах, смарт-часах. В первую очередь — за счет относительно небольших габаритов и меньшего энергопотребления и тепловыделения, благодаря чему технику получается сделать мобильной. Правда, производительность подобных SoC долго оставалась существенно ниже в сравнении со «взрослыми» центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами, причем не только в ПК, но и ноутбуках.

Еще несколько лет назад дело обстояло так: существуют мощные процессоры (что графические, что центральные) для настольных компьютеров, которые производят гиганты вроде AMD и Intel, а есть относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе ARM-архитектуры для мобильных переносных девайсов — и эти два мира долго практически никак не пересекались.

Но к концу 2020 года ситуация с подачи компании Apple изменилась. Выяснилось, что подобные «системы на чипе» могут быть не просто соизмеримы по мощности со «взрослыми» аналогами, но и превосходить их, при этом сохраняя преимущество в виде намного меньшего потребления энергии. По сути, Apple пошла на рискованный шаг: начала переводить ноутбуки и настольные компьютеры на процессоры, изначально использовавшиеся только в мобильных устройствах. Компания оказалась не первой, кто пришел к такому решению, но как минимум одной из первых, кому удалось сделать это удачно.

Рассвет транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые устройства, которые выполняют две основные функции в электронной схеме – усилитель и переключатель. До эры транзисторов электронные лампы в основном использовались в качестве усилителя или переключателя в первой половине двадцатого века. Однако требования к высокому рабочему напряжению, высокое энергопотребление и высокое тепловыделение привели к тому, что электронные лампы со временем стали неэффективными и ненадежными. Не говоря уже о том, что эти трубки громоздкие и хрупкие, потому что корпус сделан из стекла. Чтобы решить эту дилемму, разные производители провели годы исследований в поисках подходящей замены.

Наконец, в декабре 1947 года трое физиков из Bell Laboratories успешно изобрели первый рабочий транзистор. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли потратили годы исследований, чтобы наконец разработать рабочий точечный транзистор. В 1948 году Шокли усовершенствовал устройство, превратив его в транзистор с биполярным переходом, который широко использовался в 1950-х годах. Их изобретение было настолько важным, что Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены известной Нобелевской премии 1956 года.

Маленький размер, большие изменения

Транзисторы стали выдающимися с момента их изобретения более 70 лет назад. Эта технология подтолкнула изобретение и развитие многих других электронных устройств. Скромный размер транзистора не скрывает его вклада в развитие технологий. Транзистор, несомненно, изменил облик электронных схем и привел к значительным изменениям в мире, особенно в компьютерных технологиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.