Hoe kan transistors werken Leg uit dat Stuff

Hoe kan transistors werken Leg uit dat Stufftransistors

door Chris Woodford. Laatst bijgewerkt op: 16 mei 2016.

Y ons brein bevat ongeveer 100 miljard cellen, genaamd neuronen—de kleine schakelaars die u laten denken en dingen onthouden. Computers bevatten miljarden miniatuur "hersencellen" ook. Ze heten transistors en ze zijn gemaakt van silicium, een chemisch element vaak gevonden in het zand. Transistors hebben een revolutie teweeggebracht in de elektronica, omdat ze voor het eerst meer dan een halve eeuw geleden door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley werden uitgevonden. Maar wat zijn ze—en hoe werken ze?

Foto: Een insect met drie poten? Nee, een typische transistor op een elektronisch circuit board. Hoewel eenvoudige schakelingen individuele transistors zoals deze bevatten complexe circuits in computers bevatten ook microchips, die elk duizenden, miljoenen of honderden miljoenen transistoren verpakt binnen zou kunnen hebben.

Wat doet een transistor eigenlijk?

Een transistor is heel eenvoudig—en echt complex. Laten we beginnen met het eenvoudige deel. Een transistor is een miniatuur elektronische component dat twee verschillende banen kan doen. Het kan ook werken als een versterker of een schakelaar:

  • Als het werkt als versterker. neemt in een kleine elektrische stroom aan een einde (een ingangsstroom) en produceert een veel grotere elektrische stroom (een uitgangsstroom) aan het andere. Met andere woorden, het is een soort stroom booster. Dat komt in echt handig in dingen als gehoorapparaten. een van de eerste dingen die mensen gebruikt transistors voor. Een hoortoestel heeft een kleine microfoon in dat pikt geluiden van de wereld om je heen en zet ze in fluctuerende elektrische stromen. Deze worden toegevoerd aan een transistor die hen en bevoegdheden een kleine luidspreker verhoogt. zodat je een veel luider versie van de geluiden om je heen hoort. William Shockley, een van de uitvinders van de transistor, een keer uitgelegd transistor-versterkers om een ​​student in een meer humoristische wijze: "Als u een baal hooi te nemen en bind het aan de staart van een muilezel en vervolgens een lucifer en stel de baal hooi in brand, en als je dan de energie die kort daarna besteed vergelijken door de ezel met de energie die zelf in de opvallende van de wedstrijd, zal je het concept van de amplificatie te begrijpen."
  • Transistoren kunnen ook werken als schakelaars. Een kleine elektrische stroom door een deel van een transistor kan een veel grotere stroom door een ander deel van. Met andere woorden, de kleine stroom schakelt de grotere. Dit is in wezen hoe al computerchips werken. Bijvoorbeeld, een geheugenchip bevat honderden miljoenen of zelfs miljarden transistoren, die elk kunnen worden in- of uitgeschakeld afzonderlijk. Aangezien elke transistor kan in twee verschillende toestanden kan twee verschillende nummers, nul en één slaan. Met miljarden transistors, kan een chip miljarden van nullen en enen, en bijna net zo veel gewone cijfers en letters op te slaan (of tekens, zoals wij ze noemen). Meer hierover in een moment.

Foto: Compact hoortoestellen behoorden tot de eerste aanvragen voor transistors—en deze dateert uit de late jaren 1950 of 1960. Over de grootte van een kaartspel, werd ontworpen om te worden gedragen in of op een jaszak. Er is een microfoon aan de andere zijde van de behuizing die pikt omgevingsgeluiden. Je kunt duidelijk zien de vier beetje terug transistors binnen, versterken die geluiden en dan schieten ze uit de kleine luidspreker die zit in je oor.

Het grote ding over de oude-stijl machines was dat je kon hen uit elkaar halen om erachter te komen hoe ze werkten. Het was nooit te hard, met een beetje duwen en porren, om te ontdekken welke beetje deed wat en hoe het een kwam het ander. Maar elektronica is geheel anders. Het draait allemaal om het gebruik van elektronen om elektriciteit te controleren. Een elektron is een minuut deeltje in een atoom. Het is zo klein, het weegt net onder 0,000000000000000000000000000001 kg! De meest geavanceerde transistors werken door het beheersen van de bewegingen van individuele elektronen, dus je kunt je voorstellen hoe klein ze ook zijn. In een moderne computer chip, ter grootte van een vingernagel, zult u waarschijnlijk vinden tussen de 500 miljoen en twee miljard afzonderlijke transistors. Er is geen kans op het nemen van een transistor uit elkaar om uit te vinden hoe het werkt, dus we hebben om het te begrijpen met de theorie en verbeelding plaats. Ten eerste, het helpt als we weten wat een transistor is gemaakt van.

Hoe wordt een transistor gemaakt?

Transistoren zijn gemaakt van silicium, een chemisch element gevonden in zand, die normaliter stroom geleidt (het niet mogelijk elektronen doorheen stromen gemakkelijker). Silicium is een halfgeleider. wat betekent dat het niet echt een geleider (zoiets als een metaal dat elektriciteit stroom laat), noch een isolator (iets als plastic die stopt elektriciteit stroomt). Als we silicium met verontreinigingen (een proces dat bekend staat als doping) te behandelen, kunnen we het zich op een andere manier. Als we dope silicium met de chemische elementen arseen, fosfor of antimoon, silicium krijgt extra "gratis" elektronen—Degenen die een elektrische stroom kan dragen—dus elektronen uit het natuurlijker stromen. Omdat elektronen een negatieve lading, silicium behandelde Zo wordt n-type (negatief type). We kunnen ook silicium met andere verontreinigingen zoals boor, gallium, aluminium en dope. Silicon deze wijze behandeld heeft minder van die "gratis" elektronen, waardoor de elektronen in het nabijgelegen materialen de neiging hebben uitmonden. We noemen dit soort silicium p-type (positief type).

Snel, in het voorbijgaan, is het belangrijk om op te merken dat geen van beide n-type of p-type silicium heeft eigenlijk een lading op zich. beide zijn elektrisch neutraal. Het is waar dat n-type silicium heeft extra "gratis" elektronen die de geleidbaarheid te verhogen, terwijl de p-type silicium heeft minder van deze vrije elektronen, die helpt om de geleidbaarheid in tegengestelde richting te vergroten. In elk geval, de extra geleiding komt van die toegevoegd neutrale (Ongeladen) atomen van verontreinigingen silicium dat was neutrale om te beginnen met—en we kunnen niet elektrische ladingen uit de lucht te maken! Een meer gedetailleerde uitleg zou me nodig hebt om een ​​idee genaamd band theorie te introduceren. dat is een beetje buiten het bestek van dit artikel. Alles wat we moeten onthouden is dat "extra elektronen" betekent extra gratis elektronen—degenen die vrij kunnen bewegen en helpen om een ​​elektrische stroom te voeren.

Silicon sandwiches

We hebben nu twee verschillende soorten silicium. Als we ze samen in lagen, waardoor broodjes p-type en n-type materiaal, kunnen we verschillende soorten elektronische componenten die werken op allerlei manieren maken.

Hoe een kruispunt transistor werken

Stel nu dat we gebruiken drie lagen van silicium in onze sandwich in plaats van twee. Wij kunnen ofwel een p-n-p sandwich (met een plakje n-type silicium als de vulling tussen twee sneden p-type) of een n-p-n sandwich (met p-type tussen de twee platen van n-type). Als we deelnemen aan elektrische contacten op alle drie de lagen van de sandwich, kunnen we een component die ofwel zal versterken van een bestaande of zet hem aan of uit te maken—met andere woorden, een transistor. Laten we eens kijken hoe het werkt in het geval van een n-p-n-transistor.

Dus we weten waar we het over hebben, laten we de namen van de drie elektrische contacten. We zullen de twee contacten verbonden met de twee stukken van n-type silicium de emitter en de collector noemen. en het contact verbonden met de p-type silicium we de basis bellen. Als geen stroom in de transistor, kennen we de p-type silicium een ​​tekort aan elektronen (hier weergegeven door de kleine plustekens, die positieve ladingen) en de twee stukken van n-type silicium brengen extra elektronen (aangegeven door de kleine mintekens, wat neerkomt op negatieve ladingen).

Een andere manier om naar dit wil zeggen dat, terwijl de n-type heeft een overschot aan elektronen, de p-type heeft gaten waar elektronen moeten zijn. Gewoonlijk is de gaten in de bodem gedragen als een barrière, waardoor significante stroom van de emitter naar de collector, terwijl de transistor in de "uit" staat.

Een transistor werkt wanneer de elektronen en de gaten in beweging in de twee verbindingen tussen de n-type en p-type silicium.

Laten we sluit de transistor tot enige macht. Stel dat wij hechten een kleine positieve spanning aan de basis, maken de zender negatief geladen, en maken de collector positief geladen. Elektronen worden getrokken uit de emitter in de basis—en vervolgens vanaf de basis naar de collector. De transistorschakelaars zijn "op" staat:

De kleine stroom die we weer op bij de basis maakt een grote stroom tussen de zender en de collector. Door het draaien van een kleine input stroom in een grote uitgangsstroom, de transistor werkt als een versterker. Maar hij werkt ook als een schakelaar tegelijk. Als er geen stroom naar de basis, weinig of geen stroom tussen de collector en de emitter. Schakel de basisstroom en een grote stroom. Zodat de basisstroom schakelt de hele transistor aan en uit. Technisch wordt dit type transistor genoemd bipolaire omdat twee verschillende soorten (of "polariteiten") Elektrische lading (negatieve elektronen en positieve gaten) zijn betrokken bij het maken van de stroom.

We kunnen ook begrijpen een transistor door te denken aan het als een paar diodes. Met de basis positieve en de emitter negatief, de basis-emitterovergang is als een voorwaarts voorgespannen diode, met elektronen bewegen in een richting over de kruising (van links naar rechts in de afbeelding) en gaten gaan in tegengestelde richting (van rechts naar links). De basis-collector junctie is als een omgekeerde bevooroordeeld diode. De positieve spanning van de collector trekt meeste elektronen door en in de externe schakeling (hoewel sommige elektronen recombineren met gaten in de bodem).

Hoe een veldeffecttransistor (FET) werken

Alle transistoren werken door de beweging van elektronen, maar niet allemaal doen het op dezelfde manier. Net als een transistor, een FET (veldeffecttransistor) heeft drie verschillende terminals—maar ze hebben de namen bron (analoog aan de emitter), afvoer (analoog aan de collector) en poort (analoog aan de basis). In een FET, worden de lagen van n-type en p-type silicium aangebracht in een iets andere manier en bekleed met lagen van metaal en oxide. Dat geeft ons een apparaat met de naam van een MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Hoewel er extra elektronen in de n-type source en drain, kunnen zij niet van de ene naar de andere als gevolg van de gaten in de p-poorttype ertussen. Indien we hechten positieve spanning op de gate, een elektrisch veld er gecreëerd waarmee elektronen in een dun kanaal te stromen van de bron naar de afvoer. Deze "field-effect" kan een stroom vloeien en schakelt de transistor on:

Voor de volledigheid, konden we dat een MOSFET is een unipolaire transistor omdat slechts één soort ("polariteit") Elektrische lading is betrokken bij het maken van het werk.

Hoe doen transistors werk in rekenmachines en computers?

In de praktijk hoeft u geen behoefte aan een van deze dingen over elektronen en gaten weten, tenzij je gaat om computerchips te ontwerpen voor het leven! Alles wat je moet weten is dat een transistor werkt als een versterker of een schakelaar, met behulp van een kleine stroom om over te schakelen op een grotere. Maar er is een ander ding wetenswaardigheden: hoe werkt dit allemaal hulp computers winkel informatie en beslissingen te nemen?

We kunnen doe er een paar transistor schakelt samen om zoiets als een logische poort te maken. die vergelijkt verschillende ingangsstromen en geeft een andere uitgang als resultaat. Logische poorten laat computers maken zeer eenvoudige beslissingen met behulp van een wiskundige techniek genaamd Boole algebra. Je hersenen neemt beslissingen op dezelfde manier. Bijvoorbeeld met gebruikmaking "inputs" (Dingen die je weet) over het weer en wat u in uw gang, kunt u een beslissing als deze te maken: "Als het regent en ik heb een paraplu, ga ik naar de winkels". Dat is een voorbeeld van de Boole-algebra met behulp van wat heet een AND "operator" (Het woord operator is gewoon een beetje wiskundig jargon om dingen te laten lijken ingewikkelder dan ze werkelijk zijn). U kunt soortgelijke besluiten met andere ondernemers te maken. "Als het waait of het sneeuwt, dan zal ik een jas te zetten" is een voorbeeld van het gebruik van een OR operator. Of wat te denken "Als het regent en ik heb een paraplu of ik heb een jas dan is het goed om uit te gaan". Met behulp van AND, OR, en andere operatoren genoemd NOR, NOT, en NAND, computers kunnen optellen en vergelijken binaire getallen. Dat idee is de eerste steen van computerprogramma’s. de logische reeks instructies die deel uitmaken van computers dingen doen.

Normaliter is een junctietransistor "uit" wanneer er geen basisstroom en schakelt "op" wanneer de basis stroom. Dat betekent dat het duurt een elektrische stroom om de transistor aan of uit. Maar transistors als deze kan worden aangesloten met logische poorten zodat hun uitgangen verwerkt in hun ingangen. De transistor blijft dan ingeschakeld wanneer de basisstroom wordt verwijderd. Elke keer dat een nieuwe basis stroom, de transistor "flips" aan of uit. Het blijft in een van die stabiele toestanden (aan of uit), totdat een andere stroom komt langs en klapt het andersom. Deze soort regeling staat bekend als een flip-flop en het blijkt een transistor in een eenvoudige geheugeninrichting die een nul opslaat (wanneer het uit) of één (wanneer het op). Flip-flops zijn de basistechnologie achter de computer geheugenchips.

Wie de uitvinder van de transistor?

Transistors werden uitgevonden bij Bell Laboratories in New Jersey in 1947 door drie briljante Amerikaanse fysici: John Bardeen (1908–1991), Walter Brattain (1902–1987), en William Shockley (1910–1989).

Het team, onder leiding van Shockley, had geprobeerd om een ​​nieuw soort versterker te ontwikkelen voor de Amerikaanse telefoonsysteem—maar wat ze eigenlijk uitgevonden bleek veel meer wijdverspreide toepassingen. Bardeen en Brattain maakte de eerste praktische transistor (bekend als een point-contact transistor) op dinsdag 16 december 1947. Hoewel Shockley een grote rol in het project had gespeeld, werd hij woedend en geroerd bij wordt weggelaten. Kort daarna, tijdens een verblijf in een hotel op een natuurkunde conferentie, hij in zijn eentje bedacht de theorie van de transistor—een veel beter apparaat dan de point-contact transistor.

Terwijl Bardeen stoppen Bell Labs een academische geworden (hij ging zelfs nog meer succes studeren supergeleiders aan de Universiteit van Illinois te genieten), Brattain verbleef voor een tijdje voordat u zich terugtrekt om leraar te worden. Shockley richtte zijn eigen transistor maken onderneming en heeft bijgedragen tot de hedendaagse verschijnsel dat inspireren "Siliconen vallei" (De welvarende gebied rond Palo Alto, Californië, waar de elektronica bedrijven hebben windjammers). Twee van zijn werknemers, Robert Noyce en Gordon Moore, ging op gevonden Intel, ’s werelds grootste micro-chip fabrikant.

Bardeen, Brattain en Shockley werden kort een paar jaar later herenigd toen ze deelden ’s werelds top Science Award, de 1956 Nobelprijs voor de Natuurkunde. voor hun ontdekking. Hun verhaal is een meeslepend verhaal over intellectuele schittering in gevecht met kleinzielige jaloezie en het is de moeite waard om te lezen over. U kunt een aantal grote rekeningen van het te vinden onder de hierna genoemde boeken en websites.

Kunstwerk: Het oorspronkelijke ontwerp van de point-contact transistor, zoals uiteengezet in John Bardeen en Walter Brattain’s Amerikaanse octrooi (2.524.035), ingediend in juni 1948 (ongeveer zes maanden na de oorspronkelijke ontdekking) in te stellen en bekroond met 3 oktober 1950. Dit is een eenvoudige PN transistor met een dunne bovenlaag van P-type germanium (geel) op een lagere laag N-type germanium (oranje). De drie contacten emitter (E, rood), collector (C, blauw), en de basis (G, groen). Meer in het oorspronkelijke octrooidocument, die in onderstaande referenties vermeld gelezen. Kunstwerk met dank aan de Amerikaanse Patent and Trademark Office.

Meer te weten komen

Op deze website

andere websites

  • The Journey Inside. educatieve website van Intel, alles over transistors en geïntegreerde schakelingen.
  • Transistorized !. Een PBS website over Bardeen, Brattain, Shockley, en de geschiedenis van de transistor.
  • De transistor. Meer informatie over transistors op een leuke manier, met spelletjes en interactives op de Nobelprijs website.

Boeken

  • Crystal Fire: De uitvinding van de transistor en de geboorte van het informatietijdperk door Michael Riordan en Lillian Hoddeson. New York: W. W. Norton & Co 1998. Een zeer leesbaar geschiedenis van transistors en geïntegreerde schakelingen.
  • Merk: Elektronica door Charles Platt. O’Reilly, 2008. Een heldere, goed geïllustreerd primer voor de elektronica beginners. Een geweldige plek voor een scherp teenager te beginnen.
  • Aan de slag in Electronics door Forrest M. Mims III. Master Publishing, 2003. Betrouwbaar introductie met veel voorbeeld circuits te proberen.
  • Ooggetuige: Elektronica door Roger Bridgman. New York: Dorling Kindersley, 2007. Gericht op de 9–12 leeftijdsgroep, dit is een geïllustreerde geschiedenis van elektronische technologie.
  • The Art of Electronics door Paul Horowitz, Winfield Hill. Cambridge University Press, 2015. Dit is een veel gedetailleerder undergraduate leerboek—en degene die ik gebruikte mezelf op de universiteit.
  • Waarom dingen zijn zoals ze zijn door B.S. Chandrasekhar. Cambridge University Press, 1998. Een relatief eenvoudig te volgen inleiding tot vaste stof fysica; in feite wordt uitgelegd hoe vaste echt werk van binnenuit. Hoofdstuk 10 legt elektrische stromen en halfgeleiders.

artikelen

  • De invoering van de Vacuum Transistor: Een apparaat Gemaakt van Nothing van Jin-Woo Han en Meyya Meyyappan. IEEE Spectrum. 23 juni 2014. Deels vacuümbuis, deel transistor, kan 10 keer sneller dan silicium werken, NASA Ames onderzoekers beweren.
  • Intel gaat 3D met transistor redesign door Charles Arthur, Guardian, 4 mei 2011. Making "driedimensionaal" transistors maakt engineers om nog meer van hen proppen in dezelfde ruimte.
  • Wetenschappers bouwen Kleinste Transistor’s World, Gordon Moore zucht van opluchting door Alexis Madrigal, Wired, 17 april 2008. nieuws over een nieuw "kleinste transistor" gebeuren om de paar jaar!
  • In Pictures: Transistor History. BBC News, 15 november 2007. Foto’s van de transistor pioniers, vroeg transistors en circuits.
  • ’s Werelds kleinste transistor door David Whitehouse. BBC News, 19 november 1999. Een nieuwe 50 nanometer transistor verlegt de grenzen van kleine technologie.

octrooien

  • US octrooischrift: 2.524.035: Drie-electrode circuitelement gebruik halfgeleidermaterialen. De originele point-contact transistor patent ingediend door John Bardeen en Walter Brattain op 17 juni 1948 en toegekend in oktober 1950.
  • US Patent: 2.569.347: Circuit element gebruik te maken van halfgeleidend materiaal. Dit was Shockley’s woedende follow-up van de oorspronkelijke octrooi, ingediend op 26 juni 1948 (ongeveer 10 dagen na de oorspronkelijke Bardeen / Brattain patent) en uitgereikt op 25 september 1951.
  • US Patent: 2.502.488: Semiconductor versterker. Een andere patenten Shockley’s, ingediend in september 1948 en kende in april 1950.

Videos

Technisch

  • MAKE presenteert: The Transistor. Een uitstekende, makkelijk te volgen, 9 minuten intro om transistors van Collin Cunningham van te maken. Verklaart het verschil tussen low-power (signaal) transistors en high-powered apparaten, waarom transistors waren beter dan vacuümbuizen, en wat kunnen we transistors gebruiken. Er is ook een zeer goede uitleg van de oorspronkelijke Bardeen en Brattain point-contact transistors.

Geschiedenis

We hebben het geluk om een ​​aantal overlevende archiefbeelden van de drie transistor pioniers hebben!

Ook uit de archieven, zou u van deze:

  • OP&T Archives: Bottle of Magic. Hoe elektronenbuizen mogelijk gemaakt versterking van de lange afstand telefoongesprekken. Transistors waren de volgende logische stap en werden oorspronkelijk ontwikkeld voor precies hetzelfde doel.
  • OP&T Archives: The Transistor. Deze 1953 documentaire onderzoekt de mogelijke sociale gevolgen van de transistors.

Als je dit artikel.

Aarzel niet onze artikelen op blogs en andere websites kopiëren

Bron: www.explainthatstuff.com

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

een × 2 =