Как работают транзисторы — Журнал «Код»
Что мы уже знаем о транзисторах:
- Это устройство, похожее на кран, только для электричества, и он либо пропускает сквозь себя ток, либо не пропускает.
- Если такие «краны» правильно соединить, то можно создать иллюзию полезной для человека работы — например, суммирования.
- На транзисторах основаны все современные компьютерные вычисления. Современные транзисторы очень маленькие — в буквальном смысле микроскопические. Они соединены сложным образом внутри всех наших процессоров, контроллеров и даже памяти.
- Транзисторы сами по себе ничего не понимают. Они просто перемешивают электричество. Но если их правильно соединить и их будет много, от этого перемешивания получится значительная польза, от автоматических и очень быстрых математических операций до современных компьютеров.
В этой статье разберём, как же именно соединены транзисторы, чтобы уметь так хорошо считать. Для этого нужно сначала понять транзисторную логику, после чего станет очевидно, как устроена транзисторная математика.
Нам потребуется вспомнить эту картинку, которая обозначает принцип действия транзистора:
Тут ток течёт слева направо. На транзистор подаётся управляющий ток, который этот транзистор «открывает», и ток течёт. Если управляющий ток выключить, то транзистор «закроется», движение тока остановится.
Транзисторная логика
У транзисторов есть три принципиальных способа соединения, которые соответствуют трём базовым логическим операциям. Если понимать эти способы и логику, вы поймёте архитектуру всего компьютерного мира. Запоминать и учить её не надо, достаточно просто увидеть.
Основных логических операций всего три: И, ИЛИ, НЕ. Все остальные получаются из их комбинаций, поэтому нам достаточно понять, как работают эти. Можно представить, что мы через транзисторы хотим включить лампочку в комнате и у нас есть выключатель на стене.
Операция «НЕ»
Самая простая операция: она меняет значение на противоположное. Так как в компьютерах и транзисторах на базовом уровне существуют только понятия «есть ток» и «нет тока», то тут будет очевидно, что противоположно чему:
НЕ (есть ток) = нет тока
НЕ (нет тока) = есть ток
Эту же запись можно представить так:
НЕ (1) = 0
НЕ (0) = 1
В терминах нашей комнаты с лампочкой это звучит так: «Если выключатель выключен, то лампочка должна гореть».
Схема подключения такая:
Инженеры договорились обозначать такую схему вот такой фигурой. Она означает «Логическая операция НЕ»:
Операция «И»
Здесь уже участвуют два параметра, причём результат равен 1 только тогда, когда оба параметра — 1.
0 И 0 = 0
1 И 0 = 0
0 И 1 = 0
1 И 1 = 1
Только в последнем случае у нас получилась единица, потому что оба параметра — единицы. Как только хотя бы один из параметров — ноль, то всё выражение становится равно 0.
Это то же самое, как если бы у нас в комнате было два выключателя, а лампочка загоралась бы только тогда, когда включены оба.
На схемах такой логический элемент обозначается так, два входа и один выход:
Операция «ИЛИ»
Тоже работает с двумя параметрами, но по другим правилам: если хотя бы одна единица есть, результат тоже будет единицей.
0 ИЛИ 0 = 0
1 ИЛИ 0 = 1
0 ИЛИ 1 = 1
1 ИЛИ 1 = 1
Эта операция смотрит, есть ли хоть одна единица, одна или вторая, или вообще обе, и если находит её — сразу тоже становится единицей.
В терминах комнаты с лампочкой: чтобы лампочка загорелась, должен быть включён хотя бы один выключатель.
На схемах такой логический элемент обозначается так:
Вся логика и вычислительная мощь всех процессоров мира построена на этих трёх логических кубиках. Исключение — квантовые процессоры, но они устроены внутри совсем по-другому.
Что дальше
Комбинируя эти три логические схемы (там есть ещё четвёртая, она делается из трёх основных), мы сможем собрать такой каскад транзисторов, который поможет нам складывать числа. Забегая немного вперёд, вот каскад, который способен сложить два числа, если эти числа — единицы или ноли:
Этот каскад может сложить число размером 1 бит (единица или ноль). Его возможные результаты:
00 — ноль
01 — единица
10 — двойка в двоичном счислении
Если такой каскад «схлопнуть» до одной коробочки (и немного допилить), а потом соединить между собой несколько коробочек, можно складывать более сложные числа. Например, такой каскад сложит два числа до 4 бит, от 0 до 15:
Что мы узнали на этом этапе.
- Транзисторы можно соединять по-разному: по цепочке, параллельно, как-то ещё хитро.
- В зависимости от схемы соединения эта конструкция из транзисторов будет давать разные результаты. Например, лампочка будет гореть при выключенном выключателе. Или будет гореть, когда включён хотя бы один. Или когда включены оба.
- Эти схемы соединений помогают воспроизвести простые логические операции: НЕ, И, ИЛИ.
- Из этих логических операций можно собрать простейший сумматор единицы и ноля.
- Из простейшего сумматора можно каскадом собрать более сложный, например, для чисел от 0 до 15.
- А дальше просто наслаиваешь эти сумматоры друг на друга, соединяешь разными хитрыми образами, и у тебя получается всё более и более сложная вычислительная машина.
Кому нужны эти транзисторы? Тем, кто будет управлять миром
В будущем останется две профессии: программист и массажист для его утомленной шеи. Если у вас сильные руки и хорошая выносливость, пролистывайте.
Начать карьеру в ИТ
Транзистор Биполярный транзистор. Как работает транзистор. Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора. Включение транзистора в электрическую цепь.
| Основы |
Биполярный транзистор. Как работает транзистор. Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора. Включение транзистора в электрическую цепь.
Транзистор – полупроводниковый электронный прибор, относящийся к категории активных электронных компонентов.
|
NPN транзистор и |
В зависимости от расположения полупроводниковых слоев, транзисторы подразделяют на два основных типа – NPN-транзисторы и PNP-транзисторы.
Электроды обычного биполярного транзистора называются базой, эмиттером и коллектором. Коллектор и эмиттер составляют основную цепь электрического тока в транзисторе, а база предназначается для управления величиной тока в этой цепи.
На условном обозначении транзистора стрелка эмиттерного вывода показывает направление тока.
Как работает транзистор
Базовая цепь транзистора управляет током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер. Изменяя в небольших пределах малое напряжение, поданное на базу, можно в достаточно широких пределах изменять ток в цепи коллектор-эмиттер.
|
Принцип работы биполярного транзистора со структурой NPN. Ток, поданный на базу, открывает транзистор и обеспечивает протекание тока в цепи коллектор-эмиттер. С помощью малого тока, поданного на базу, можно управлять током большой мощности, идущим от коллектора к эмиттеру. 
|
|
Транзисторы различной мощности |
Цоколевка транзисторов 2N3904 и 2N3906 |
Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора
Соберем схему, которая наглядно демонстрирует работу транзистора и принцип его включения. Нам понадобится транзистор с NPN структурой, например 2N3094, переменный или подстроечный резистор, резистор с постоянным сопротивлением и лампочка для карманного фонарика. Номиналы электронных приборов указаны на схеме.
Изменяя сопротивление переменного резистора R1, будем наблюдать как изменяется яркость свечения лампочки h2.
Постоянный резистор R2 в этой схеме играет роль ограничителя, предохраняя базу транзистора от слишком большого тока, который может быть подан на нее, в тот момент, когда сопротивление переменного резистора будет стремиться к нулю. Ограничительный резистор предотвращает выход транзистора из строя.
Теперь попробуем заменить лампу маломощным электродвигателем. Вращая ось переменного резистора, мы может наблюдать плавное изменение скорости вращения электродвигателя M1.
Транзисторы применяются в схемах роботов для усиления сигналов от датчиков, для управления моторами, на транзисторах можно собрать логические элементы, которые реализуют операции логического отрицания, логического умножения и логического сложения. Транзисторы являются основой практически всех современных микросхем.
Как вообще работают транзисторы?
Старинный германиевый транзистор, середина 1960-х. Фото автора.Изобретение электронной схемы изменило мир. Всего за столетие электронные устройства перевернули почти все аспекты нашей жизни — от транспорта до медицины и того, как мы взаимодействуем друг с другом и развлекаемся.
Несмотря на это, прочное понимание электроники остается неуловимым для большинства. Я уверен, что большая часть вины лежит на гидравлической аналогии — переосмысление электронных схем как серии ламп. Аналогия с гидравликой соблазнительна для авторов учебников, но быстро приводит к утечкам. К тому времени, когда вы доберетесь до транзисторов, вы конструируете причудливые двухступенчатые водяные клапаны, которые на самом деле не имитируют полупроводники — и у вашего сантехника тоже будет головная боль.
Действительно, механика транзисторов остается загадкой для большинства любителей, что затрудняет понимание конструкции фундаментальных устройств, таких как операционные усилители.
В этом посте я надеюсь пролить свет на эту тему — надеюсь, не затрагивая квантовые волновые функции, но и не хватаясь за разводной ключ.
Давайте начнем с освежения знаний о физике проводимости. В твердотельной электронике поток электричества можно объяснить движением внешних ( валентных ) электронов, которые скользят по неподвижным атомам или молекулам.
В большинстве материалов валентные электроны прочно связаны с подложкой, и для их выбивания требуется значительная энергия; этой энергии часто достаточно, чтобы поджечь вещи по пути. Эта ситуация иная в металлах, где некоторые электроны на своих нормальных энергетических уровнях могут свободно дрейфовать от одного атома к другому, образуя так называемое электронный газ.
Притяжение к положительно заряженным протонам удерживает электроны в объеме проводника. Взаимное отталкивание между электронами, напротив, вынуждает их разлетаться как можно дальше, заполняя все это доступное пространство.
Следует подчеркнуть, что поток электричества связан не столько с перемещением отдельных электронов, сколько с тем, что можно рассматривать как выравнивание давления в этом электронном газе.
В типичной схеме дрейф электрона составляет в среднем миллиметры или сантиметры в час. Тем не менее, попадание лишнего электрона на металлическую проволоку приводит к тому, что близлежащие убегают — каскадная волна, которая распространяется со скоростью, близкой к скорости света.
Такие электромагнитные силы могут также действовать через непроводящие промежутки; например, поднесение отрицательно заряженного стержня к одному концу металлической проволоки приведет к тому, что некоторые электроны в проводнике убегут к другому концу.
Двумя наиболее важными понятиями в электрических цепях являются напряжение и ток. Ток — это прямое измерение количества электронов, проходящих через определенное место в единицу времени. Напряжение, с другой стороны, описывает перепады давления в электронном газе. Чем выше разница между двумя выбранными точками, тем выше может быть ток, который будет течь, если вы случайно уроните сантехнический ключ на эту часть печатной платы.
Существует промежуточный класс материалов, известных как полупроводники, в которых внешние электроны номинально неподвижны, но требуется лишь легкий толчок, чтобы перевести их в более высокоэнергетическое состояние и освободить.
Это подталкивание постоянно происходит само по себе из-за случайных тепловых явлений при комнатной температуре.
В полупроводниках эти возбужденные электроны вскоре возвращаются в более низкое энергетическое состояние; но в присутствии внешнего электрического поля они могут дрейфовать на небольшое расстояние, заставляя другие электроны отшатываться, когда наступает их очередь. По сути, этот процесс позволяет протекать довольно слабому току.
Чистые полупроводники имеют плохие электрические свойства, но их проводимость значительно улучшается в присутствии примесей, известных как примеси . Легирующая примесь n-типа, такая как фосфор, добавляет подвижные электроны к полупроводниковой подложке, фактически увеличивая количество носителей заряда, доступных в любой момент времени. Легирующая примесь p-типа, такая как бор, делает обратное — улавливает другие электроны и, таким образом, создает долгоживущие вакансии валентной оболочки («дырки») в основном материале.
Интересно, что люфт, обеспечиваемый этими отверстиями, означает, что распределение невозбужденных валентных электронов может внезапно и легко измениться в ответ на внешние электрические поля.
Вы можете думать об этом как об электронах, случайно скользящих в близлежащие вакансии, или вы можете рассматривать дырки как странные бестелесные «частицы», которые дрейфуют в противоположном направлении в море валентных электронов. Как бы вы ни подошли к этому, материалы как n-типа, так и p-типа проводят намного лучше, чем чистый кремний.
Следует отметить, что легированные полупроводники остаются электрически нейтральными. Меняется только подвижность электронов, а не соотношение электронов и протонов в кристаллической решетке.
Когда p-легированный полупроводник контактирует с n-легированным, происходит интересное явление: некоторые электроны с n-стороны пересекают границу и быстро попадают в многочисленные дырки, имеющиеся на p-стороне.
P-n переход, иллюстрация автора. Это создает обедненная область : чрезвычайно тонкий слой, в котором практически все дырки закрыты на p-стороне, а электроны зоны проводимости практически отсутствуют на n-стороне.
Область больше не является электрически нейтральной, и действительно, она удерживается вместе возникающим полем: отрицательным на p-стороне (из-за избыточных электронов) и положительным на n-стороне (из-за того, что все неспаренные протоны все еще остаются на месте). .
Из диаграммы должно быть ясно, что удаление электронов с правой стороны и добавление их к левой стороне мало что дает. Действие служит только для увеличения напряженности электрического поля на переходе. Это также добавляет больше закрытых дыр на p-стороне и больше вакансий на n-стороне. В этом случае толщина области обеднения неизбежно будет расти.
Перемещение электронов в другом направлении — это отдельная история. Он служит для противодействия электрическому полю перехода, в конечном итоге заставляя его исчезнуть. Для кремниевых устройств напряжение, необходимое для работы, колеблется около 0,6 В. После этой точки переход (известный как диод ) становится отличным проводником — то есть до тех пор, пока напряжение снова не упадет ниже этого магического порога.
Простой p-n переход может показаться неинтересным, но это универсальный строительный блок. Чтобы проиллюстрировать это, давайте начнем с полевых транзисторов с обратным смещением, которые используют p-n переход с обратным смещением, чтобы уменьшить ток, протекающий между их двумя первичными клеммами — исток и сток:
Идеализированный n-канальный JFET, иллюстрация автора.Между двумя первичными клеммами нет полупроводниковых переходов. Рядом с клеммой управления можно найти p-n переход — вентиль — но он не предназначен для работы в качестве диода. Вместо этого он остается непроводящим, всегда удерживая его ниже 0,6 В.
Когда затвор работает при напряжении около 0 В относительно n-области, обедненный слой присутствует, но очень тонкий, поэтому он не препятствует потоку. тока между истоком и стоком. Но по мере снижения напряжения область обеднения расширяется. К тому времени, когда вы достигаете, возможно, -5 В, оно становится настолько большим, что перерезает токопроводящий путь через n-легированный корпус устройства.
JFET замечательны тем, что они хорошо реагируют на небольшие напряжения, подаваемые на затвор, что делает их подходящими для определенных типов усилителей. Тем не менее, в большинстве других приложений они были заменены другой конструкцией: MOSFET.
Подобно полевым транзисторам JFET, полевые МОП-транзисторы предназначены для управления протеканием тока между двумя их первичными клеммами — истоком и стоком — с помощью переменного напряжения, подаваемого на затвор. При этом их внутренняя архитектура немного сложнее:
Планарный n-канальный полевой МОП-транзистор в режиме расширения. Иллюстрация автора.На рисунке показано соединение n-p-n на пути тока; поскольку одна половина этого перехода неизбежно смещена в обратном направлении, может показаться, что транзистор никогда не должен проводить ток.
Конечно, у МОП-транзисторов есть коварство в рукаве: если на затвор подать достаточно высокое положительное напряжение (относительно вывода «подложки»), возникающее электрическое поле отталкивает дырки в материале p-типа на другом стороне стеклянного изолятора — и в конечном итоге притягивает подвижные электроны из близлежащих n-допированных областей, образуя так называемую инверсионный слой .
В результате свободный от переходов и богатый электронами канал соединяет исток и сток. Чудесное свойство полевых МОП-транзисторов заключается в том, что между затвором и остальной частью устройства не требуется электрического соединения. Почти идеальная изоляция входного сигнала делает их чрезвычайно эффективными.
Теоретически полевые МОП-транзисторы могут работать независимо от полярности их двух первичных выводов. На практике большинство дискретных полевых МОП-транзисторов имеют подложку, внутренне связанную с истоком, что превращает его в устройство с тремя выводами, которое в выключенном состоянии ведет себя как диод с обратным смещением — и неожиданно проводит ток при неправильном подключении. способ.
МОП-транзисторы — рабочие лошадки полупроводниковой промышленности. Их главный недостаток заключается в том, что для их запуска требуется значительное напряжение затвора; около 2 В является обычным для дискретных транзисторов, и может потребоваться до 10 В для достижения состояния «полностью включено», необходимого для эффективного управления сильноточными нагрузками.
По сравнению с JFET требуемое пороговое напряжение усложняет некоторые задачи усиления сигнала.
Некоторые читатели могут удивиться, почему я не начал с биполярного транзистора. Ответ прост: почтенный биполярный транзистор — старейшая по-настоящему успешная конструкция транзистора, но в то же время и самая запутанная из всех.
Идеализированный биполярный транзистор NPN. Иллюстрация автора. Давайте посмотрим на раскладку n-p-n. Подобно МОП-транзистору, соединение между его основными выводами — коллектором и эмиттером — номинально непроводящее, поскольку одна его половина смещена в обратном направлении. Конечно, в этот момент следует ожидать хет-трика. Хитрость BJT заключается в том, что средний слой делается очень тонким, часто около 1 мкм; это помещает области обеднения на p-стороне друг над другом и удерживает слой короче, чем обычное расстояние, которое проходит термически возбужденный электрон, прежде чем он испустит фотон и упадет обратно в дыру.
Отбросив эту деталь, начнем с очевидного: если подать достаточное положительное напряжение на управляющий ( база ) вывод по отношению к эмиттеру, можно преодолеть внутреннее электрическое поле база-эмиттер p-n переход и заставить электроны из эмиттерной области начать переливаться в базовый слой, направляясь к управляющему терминалу.
Тем не менее, поскольку секция базы настолько тонкая, эти подвижные электроны эффективно вальсируют и в обедненной области коллектор-база, которая теперь частично лишена своего электрического поля. При наличии положительного напряжения коллектора многие из них перепрыгнут через эту вторую границу вместо рекомбинации с дыркой в базовой области. В правильно спроектированном биполярном транзисторе относительно небольшой базовый ток может вызвать значительно более высокий ток на двух других выводах.
Идеальный чертеж биполярного транзистора может означать, что это должно быть двунаправленное устройство, работающее одинаково хорошо, если поменять полярность коллектора и эмиттера.
На практике область эмиттера обычно более сильно легирована, чтобы облегчить перенос электронов в одном направлении; иными словами, реверс компонента возможен, но его производительность будет плохой.
Есть две вещи, которые делают BJT беспорядочными. Во-первых, они не являются ни устройством, полностью управляемым напряжением, ни устройством, управляемым только током: для их работы требуется комбинация напряжения и тока. Во-вторых, между коллектором и эмиттером всегда есть соединение с прямым смещением, что создает неизбежные потери 0,6 В для любых нагрузок, которые вы планируете управлять. Другими словами, в наши дни использование полевых транзисторов может избавить вас от головной боли или двух.
Транзисторы: более пристальный взгляд – основы схем
На известной диаграмме, показывающей, как работает транзистор (рис. 1), «транзисторный человек» наблюдает за датчиком, измеряющим базовый ток (I B ), поступающий в транзистор.
Затем он умножает ток базы на hFE транзистора и поворачивает потенциометр, чтобы установить ток коллектора (I C ) в соответствии со значением, определяемым I C = hFE * I B .
Принцип работы транзисторов
Кремний — это полупроводниковый материал с четырьмя электронами на внешней электронной оболочке. Полупроводниковые свойства кремния можно улучшить, добавляя примеси, такие как фосфор или бор, в процессе, называемом легированием.
На рис. 2 ниже показан чистый кремний, четко связанный в кристаллической решетке. Точки — это электроны. На рис. 3 показана решетка при легировании кремния фосфором.
Атом фосфора имеет пять электронов, поэтому один электрон смещен. Этот электрон может свободно перемещаться в материале. Так изготавливаются полупроводниковые материалы N-типа. Приложение напряжения к материалу стимулирует поток электронов.
| Рисунок 2 | Рисунок 3 | Рисунок 4 |
9.
Отсутствие электрона создает электронную дырку. Электронные дырки могут свободно перемещаться по решетке. Так изготавливаются полупроводниковые материалы P-типа.
В транзисторах эти полупроводниковые материалы N- и P-типа соединены вместе, что позволяет управлять направлением и протеканием электрического тока.
Биполярный NPN-транзистор, показанный ниже, использует как электроны, так и электронные дырки в качестве носителей заряда:
Нижние P- и N-переходы расположены вместе. Верхняя секция N-типа имеет сильнолегированную и слаболегированную области. Сильно легированная секция подключена к выводу коллектора, секция P подключена к базе, а нижняя секция N подключена к эмиттеру.
Когда слои N- и P-типа соединены вместе таким образом, все свободные электроны в материале N-типа пересекают соединение и собираются на дне материала P-типа, заполняя электронные дыры:
Электронные дыры также образуются в нижнем слое азота, образуя так называемую обедненную область.
Точно так же в верхнем слое N-типа также появляется обедненная область, что эффективно делает его высокоустойчивым.
Как показано на диаграмме ниже, поскольку у нас небольшой ток в базе и большой ток в коллекторе, мы фактически имеем усиление по току. Так работает BJT или биполярный транзистор. Версии NPN и PNP точно такие же, за исключением того, что все слои и приложенные напряжения меняются местами:
Предположим, что к базе приложено медленно возрастающее положительное напряжение. В этом случае ток не течет, но область истощения становится все тоньше и тоньше, пока примерно при 0,6 В барьер не будет преодолен и он не начнет проводить ток. Это позволяет электронам течь от эмиттера к базе:
Приложение положительного напряжения к коллектору также притянет электроны из нижней области N и начнет течь ток (синяя стрелка). Высоколегированная область формирует более низкое «сопротивление», чем слаболегированная область. Это создает разность потенциалов, которая концентрирует заряд вблизи перехода.
Более высокий положительный заряд в слабо легированной области притягивает все свободные электроны в области с более низким N, которые устремляются к коллектору.
FET и MOSFET
Ниже показан типичный полевой транзистор JFET или переходной полевой транзистор. Хотя конструкция сильно отличается от биполярного транзистора, принцип работы очень похож.
Соединение P и N, как и прежде, образует обедненную область, поэтому носители заряда недоступны для проведения. Следовательно, сток (D) и исток (S) имеют большое сопротивление между собой. Полевые транзисторы пробивают обедненный слой, прикладывая положительное напряжение к затвору (G), позволяя току течь между стоком и истоком (красная стрелка на схеме выше).
Полевые транзисторы на основе оксида металла или МОП-транзисторы имеют тонкий изолирующий слой из оксида металла, отделяющий затвор от материала P-типа. Приложение положительного напряжения к затвору создает поле в материале P-типа, которое снова очищает обедненную область, создавая канал проводимости.