Как это устроено: транзисторы

Как это устроено: транзисторы

Про­цес­со­ры в ком­пью­те­рах, теле­фо­нах и любой элек­тро­ни­ке состо­ят из тран­зи­сто­ров. В про­цес­со­ре Apple A13 Bionic, кото­рый сто­ит внут­ри один­на­дца­то­го айфо­на, 8,5 мил­ли­ар­да тран­зи­сто­ров, а в Core i7 4790, кото­рый сто­ял внут­ри мно­гих настоль­ных ком­пью­те­ров в 2014 году, — в 6 раз мень­ше.

Имен­но тран­зи­сто­ры выпол­ня­ют всю ком­пью­тер­ную рабо­ту: счи­та­ют, запус­ка­ют про­грам­мы, управ­ля­ют дат­чи­ка­ми и отве­ча­ют за рабо­ту устрой­ства в целом.

При этом сам тран­зи­стор — про­стей­ший при­бор, кото­рый по сути похож на кран или элек­три­че­ские воро­та. Через тран­зи­стор идёт какой-то один ток, а дру­гим током этот поток мож­но либо про­пу­стить, либо забло­ки­ро­вать. И всё.

Вот при­мер­ная схе­ма. В жиз­ни нож­ки тран­зи­сто­ра могут быть рас­по­ло­же­ны не так, как на схе­ме, но для нагляд­но­сти нам надо имен­но так:

Ток пыта­ет­ся прой­ти сквозь тран­зи­стор, но тран­зи­стор «закрыт»: на его управ­ля­ю­щую ногу не подан дру­гой ток.

А теперь мы пода­ли на управ­ля­ю­щую ногу немно­го тока, и теперь тран­зи­стор «открыл­ся» и про­пус­ка­ет через себя основ­ной ток.

Из мил­ли­ар­дов таких про­стей­ших кра­нов и состо­ит любая совре­мен­ная вычис­ли­тель­ная маши­на: от чай­ни­ка с элек­трон­ным управ­ле­ни­ем до супер­ком­пью­те­ра в под­ва­лах Пен­та­го­на. И до чипа в вашем смарт­фоне.

В сере­дине XX века тран­зи­сто­ры были боль­ши­ми: сот­ней тран­зи­сто­ров мож­но было набить кар­ман, их про­да­ва­ли в радио­тех­ни­че­ских мага­зи­нах, у них были проч­ные кор­пу­са и метал­ли­че­ские нож­ки, кото­рые нуж­но было паять на пла­те. Такие тран­зи­сто­ры до сих пор про­да­ют­ся и про­из­во­дят­ся, но в мик­ро­элек­тро­ни­ке они не исполь­зу­ют­ся — слиш­ком боль­шие.

Совре­мен­ный тран­зи­стор умень­шен в мил­ли­о­ны раз, у него нет кор­пу­са, а про­цесс его мон­та­жа мож­но срав­нить ско­рее с про­цес­сом лазер­ной печа­ти. Тран­зи­сто­ры раз­ме­ром несколь­ко нано­мет­ров в бук­валь­ном смыс­ле печа­та­ют поверх пла­стин, из кото­рых потом полу­ча­ют­ся наши про­цес­со­ры и память. Такие пла­сти­ны назы­ва­ют ваф­ля­ми, и если смот­реть на них без мик­ро­ско­па, это будут про­сто такие радуж­ные поверх­но­сти. Радуж­ные они пото­му, что состо­ят из мил­ли­ар­дов малень­ких выемок — тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров и про­чих мик­ро­ком­по­нен­тов:

Как это было, первые шаги к полупроводникам

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля.

В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит – железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» — огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 — 1930 годы.

Большой вклад в изучение полупроводников внес советский ученый сотрудник знаменитой Нижегородской радио-лаборатории О.В. Лосев. Он вошел в историю в первую очередь как изобретатель кристадина (генератор колебаний и усилитель на основе диода) и светодиода.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Изобретение транзистора

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого — в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век».

Транзистор

С 17 ноября до 23 декабря 1947 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин проводили эксперименты по исследованию полупроводников, в результате которых был изобретен «полупроводниковый триод», а 30 июня 1948 года Bell Laboratories официально представила это изобретение публике на прес-конференции, сменив слишком длинное название на более емкое транзистор. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.

Новое изобретение

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».

Транзисторный магнитофон Комета МГ-209

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.

Потесненная лампа

До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.

Копия первого в мире работающего транзистора

Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых. Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».

Читайте также  Установка двери гармошки

Давние конкуренты

Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.

Транзисторный радиоприемник 1959 года

На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».

Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.

Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948

В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».

Транзисторы в музыке

Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.

Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.

При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.

Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Обозначения и типы транзисторов.

Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor).

Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET — Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) .

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии 1928 (в Канаде, в 1925 году в октябре 22) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда. В 1934 немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора в 1960 году. Только в 90-х годах 20 века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах, для которых эта аналогия более точна — напряжением на затворе, в биполярных транзисторах — напряжением на базе или током базы).

Читайте также  Ежик из пластилина и шишек

Базовая структура

Корпус, изоляция, полупроводниковый кристалл, металлические выводы — вот из чего состоит транзистор. Различное легирование полупроводника позволяет создать два типа его структуры:

  • p-тип;
  • n-тип.

Сам кристалл представляет собой бутерброд из этих двух типов, расположенных так, что два одинаковых слоя сэндвича содержат между собой противоположные. В зависимости от их комбинации транзистор называют либо типом p-n-p, либо n-p-n. Названия трёх выводов, соединённых с соответствующими слоями, являются общими для всех видов биполярных и полевых транзисторов соответственно и отражают их назначение (в скобках указаны термины, применяемые в отношении полевых):

  • база (затвор);
  • коллектор (сток);
  • эмиттер (исток).

База (затвор) принимает слабый управляющий сигнал, а сильный коллекторный ток (от истока к стоку) протекает между двумя другими контактами. Последний меняется в зависимости от тока базы. Внешне транзистор выглядит как радиоэлектронный компонент с тремя выводами.

ru_radio_electr

Для тех, кто ищет

60 лет советскому транзистору

Чуть более года назад вся прогрессивная общественность(тм) поднимала кружки с пивом за первый транзистор, изобретенный Шокли, Бардином и Браттейном.
Прошло совсем немного времени и — пора отметить появление транзистора в СССР.

История полупроводникового производства в СССР начинается в 1947 году, когда в Томилино была смонтирована линия по производству германиевых детекторов для радиолокации, вывезенная из Германии. Разработками диодов для нее занималась исследовательская группа в НИИ-160 (ныне «Исток») под руководством А. В. Красилова.

В декабре 1948 года в институте была поставлена первая НИР по транзисторам. Работа была выполнена Сусанной Гукасовной Мадоян — дипломницей Московского химико-технологического института — и в феврале 1949 года был создан первый в нашей стране макет точечного германиевого транзистора. Именно этот макет и стал первым советским транзистором. С этого момента прошло уже шестьдесят лет.

Первый лабораторный образец работал не больше часа, а затем требовал новой настройки.
Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся «Кристаллический триод».

В 1950 году к работам по транзисторам подключился ЦНИИ-108 МО (ныне ЦНИРТИ). Исследования транзисторов тогда шли параллельно во многих научных организациях. В начале 50-х годов первые точечные транзисторы были изготовлены В. Е. Лашкаревым в лаборатории при Институте физики АН Украинской ССР. Экспериментальные образцы также были созданы в 1950 году в Физическом институте Академии наук и Ленинградском физико-техническом институте.
К сожалению, в тот период одинаковые открытия делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной тому была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение.

Так шло до ноября 1952 года, пока не вышел специальный номер радиотехнического журнала США «Труды института радиоинженеров», полностью посвященный транзисторам. В начале 1953 года академик А. И. Берг (будучи тогда заместителем министра обороны) подготовил письмо в ЦК КПСС о развитии работ по транзисторам. В мае министр промышленности средств связи М. Г. Первухин провел в Кремле совещание, посвященное полупроводникам. На нем было принято решение об организации специализированного НИИ.

В 1953 году в Москве открывается отраслевой НИИ полупроводниковой электроники (НИИ-35, ныне «Пульсар»). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян в том же году создала первый в Союзе опытный образец плоскостного (по тогдашней терминологии — слоистого) германиевого транзистора. Эта разработка стала основой серийных приборов типа П1, П2, П3 и их дальнейших модификаций.

Первыми серийными транзисторами, выпущенными отечественной промышленностью в конце 1953 года, были точечные триоды типов КС1 — КС8. Первые шесть типов предназначались для использования в усилительных схемах на частотах не свыше 5 МГц (КС6), два последних типа были предназначены для генерирования колебаний до 1,5 МГц (КС7) и до 5 МГц (КС8).

В процессе производства первых опытных партий были отработаны некоторые технологические моменты, изменена конструкция триода, разработаны новые методы контроля параметров.

Триоды типа КС были сняты с производства, и в НИИ-160 Ф. А. Щиголем и Н. Н. Спиро был начат серийный выпуск точечных транзисторов С1 — С4. Объем производства составлял несколько десятков штук в день.

Первыми промышленными типами плоскостных транзисторов были сплавные германиевые p-n-p транзисторы КСВ-1 и КСВ-2 (в дальнейшем получившие название П1 и П2), выпуск которых начался с 1955 года.

Перспективы транзисторов тогда были видны не всем. Наоборот, многие считали, что никакого серьёзного применения у них быть не может вследствие слабой повторяемости параметров и неустойчивости к температурным изменениям. Причина этого — попытка рассматривать транзистор как аналог электровакуумного триода.

Как пример — в 1956 году в Совмине состоялось совещание генеральных конструкторов, вынесшее вердикт: «Транзистор никогда не войдет в серьёзную аппаратуру. Перспективой применения транзисторов могут быть разве что слуховые аппараты. Пусть этим занимается Министерство социального обеспечения». Анекдот, впрочем, достаточно печальный.

Однако мнение достаточно быстро менялось. Прогресс был неумолим — в 1956 году были созданы первые кремниевые сплавные транзисторы П104-П106, в 1956-57 годах — германиевые П401-П403 (30-120 МГц), в 1957 году — П418 (500 МГц). Транзисторы П401 были использованы в передатчике первого искусственного спутника Земли.

Этот период считается началом промышленного выпуска полупроводниковых приборов в СССР. В 1957 году советская промышленность выпустила 2,7 миллионов транзисторов.
Впрочем, в этом мы сильно отставали от США, в которых выпуск транзисторов в этом году составлял 28 миллионов штук, а число различных типов достигло 600.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. IDmax — максимальный ток стока.

2.UDSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.UGSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.РDmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.ton — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.toff — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.RDS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».