Транзистор: из чего состоит, где используется, принцип работы
Транзистор – это, простыми словами, – радиоэлектронный компонент с тремя выводами, который ещё называют полупроводниковым триодом. Путём подачи слабого сигнала на дополнительный электрод он позволяет управлять током на выходе. Ни одна сложная схема не обходится без транзисторов, размеры которых уменьшаются с каждым годом. Параллельно снижается энергопотребления и тепловыделение – повышается КПД. В публикации расскажем, что такое транзистор, как он работает, где применяется.
Строение компонента
Конструктивно триод – это корпус с тремя ножками. Корпуса делают из сплавов металлов, полимерных материалов (пластмасса), керамики, металлокерамики, металлостекла. Корпус – защита радиоэлектронного компонента от воздействия внешней среды, в том числе электромагнитного поля. Внутри расположены три соединённых последовательно контакта, в мощных элементах встречается белый порошок, улучшающий теплообмен.
Различают два вида триодов: биполярные и полевые.
Электроды биполярных называются:
- Эмиттером (Э) – вход.
- Коллектором (К) – вывод.
- Базой (Б) – имеет отличный от К и Э тип проводимости. В зависимости от мощности подаваемого сигнала, электрод усиливает коллекторный ток.
Выводы биполярного компонента схем называются иначе:
- Исток – вход, аналог эмиттера.
- Сток – выход.
- Затвор – электрод с управляющим напряжением.
Биполярные триоды делят на две группы, исходя из типа Б. Если это:
- Канал n-типа – элемент имеет p-n-p структуру – прямая проводимость.
- Канал типа p – относят к типу n-p-n – обратная проводимость.
Полевые делят на транзисторы с изолированным затвором и затвором в виде электронно-дырочного перехода.
Области применения
Все электронные приборы построены на транзисторах, позволяющих управлять входящим током, усиливать его. Группа триодов представляет собой логическое устройство, на основе которого создаются микропроцессоры.
Триоды в усилительном режиме применяются для построения усилителей сигналов, могут работать как генераторы. Используются в следующих устройствах:
- Процессоры, триггеры – основа вычислительной электроники.
- Усилительные каскады: слуховые аппараты, громкоговорители.
- Генераторы.
- Электронные ключи или регенераторы.
- Преобразователи, например, ЦАП, АЦП.
- Сглаживающие фильтры.
Мощные транзисторы – основа для силовых инверторных преобразователей: сварочных инверторов, нагревателей индукционного типа.
На основе полупроводниковых триодов делают пары Дарлингтона – объединение двух или более биполярных транзисторов в одном корпусе. Такие конструкции называют IGBT, применяют для улучшения электрических характеристик низкочастотных схем (в сварочных инверторах). Всё ещё выпускаемый в России транзистор КТ808А используется для сборки усилителей слабых сигналов, электронных ключей.
Как работает полупроводниковый триод
Принцип работы транзистора прост.
На эмиттер подаётся управляемый ток, который протекает в направлении коллектора. В состоянии «закрыто» этого не происходит из-за сопротивления эмиттерного перехода. Для перевода радиокомпонента в состояние «открыто» на базу подают незначительное напряжение, сопротивление между Э и К снижается, между ними начинает протекать ток. Изменяя напряжение Б, можно управлять коэффициентом усиления транзистора, включать или отключать его. При подаче на базу аналогового сигнала изменяется амплитуда выходящего тока, причём его частота остаётся прежней.
Благодаря возможности управления проводимостью и коэффициентом усиления полупроводникового триода он может работать как электронный ключ или усилитель.
Присоединяйтесь! Наш канал в Telegram.(F)дружелюбный (E)эффективный (T)транзистор / Хабр
Работая со схемой, управляющей приличной силой тока, вы зачастую сталкиваетесь с полевыми транзисторами (FET, Field-Effect Transistor).
Независимо от того, хотите ли вы управлять парой мощных светодиодов, двигателем или включать/отключать USB-устройство, в схеме обычно присутствует полевой транзистор, выполняющий часть ответственной работы. Вы можете не знать, как именно он функционирует, как его использовать и какие нюансы при этом учитывать — поэтому начнём с основ.
Ниже представлена простая схема полевого транзистора, которая позволяет включать питание для, скажем, USB-порта, в некотором смысле подобно клапану, прерывающему подачу тока. В этой схеме используется P-FET — для включения питания мы открываем затвор транзистора путём притягивания сигнала GATE к земле, а для выключения закрываем его, возвращая GATE к верхнему уровню, на котором резистор удерживает затвор по умолчанию. Если вы хотите контролировать положение затвора с помощью микроконтроллера 3,3 В, который неспособен обрабатывать на своих выводах напряжение на стороне питания (high side), то можете добавить секцию NPN-транзисторов, как показано на схеме — таким образом вы инвертируете логику, приведя её к более интуитивной форме «высокий = вкл.
Эта схема называется переключателем на стороне питания — она позволяет по желанию активировать подачу питания на устройство через полевой транзистор. Чаще всего она используется именно для этих транзисторов, и если вам интересно побольше узнать о переключателях на стороне питания, то очень рекомендую прекрасную статью
▍ Немного общей теории
Существуют разные виды полевых транзисторов — MOSFET, JFET и пара десятков менее популярных. Говоря о полевых транзисторах, люди обычно подразумевают MOSFET, и мы в этой статье рассмотрим тоже именно их — прочие разновидности не столь востребованы в среде хакинга электроники, да и с JFET я, честно говоря, не особо знакома.
Можете представить себе полевой транзистор как управляемый вами резистор, сопротивление которого может опускаться вплоть до уровня одного Ома (открыт) или подниматься до бесконечно высокого значения (закрыт). Открытие полевого транзистора происходит путём зарядки/разрядки его затвора — в простейшей форме можете представить затвор в виде конденсатора. Говоря в целом, полевые транзисторы действуют подобно резистору, используя встроенный конденсатор для управления своим сопротивлением.
Это делает их уникальными и прекрасно подходящими для таких вещей, как переключение линий питания.
Следующий момент. полевой транзистор не переходит мгновенно из состояния «полностью открыт» в «полностью закрыт» — как и у биполярных, которые мы все знаем и любим, у него есть и промежуточные состояния, когда сопротивление не опускается до минимального уровня, но и не поднимается до бесконечно высокого значения в соответствии с вашей схемой (закрыт) — полевой транзистор оказывается частично открыт или, иными словами, находится в своей линейной области.
Конструкция полевых транзисторов подразумевает наличие внутри так называемого паразитного диода. Исключить его никак нельзя — он есть всегда. Единственный вариант — это учитывать его присутствие при разводке схемы. Если диод нежелателен, избежать его воздействия можно путём размещения двух полевых транзисторов спиной к спине. Именно так работают цепи защиты литий-ионных батарей — они должны защищать батарею от переразряда, перекрывая исходящий ток, а также от перезаряда, перекрывая входящий, и одним из способов реализации этого является их установка диодами друг к другу.
Как же конкретно работает такой транзистор на физическом уровне без подобных упрощений? Вот видео от Томаса Швенке, посвящённое конкретно этому виду транзисторов, а вот ещё одно от EEVblog, где рассматриваются и биполярные, и полевые разновидности. В сети также есть бесчисленное множество обучающих материалов и примеров вроде этой красивой GIF-анимации из Wikipedia. Так что фактически разбираться во всём этом вам не обязательно, но дополнительное понимание порой может оказаться весьма кстати, да и вообще это просто интересно!
▍ Открытие затвора
Чтобы открыть полевой транзистор, необходимо подать на затвор напряжение, превышающее порог Vgs, но не значение Vgs(max). Оба этих параметра указаны в спецификации.
Имейте в виду —
Как и в случае NPN- и PNP-транзисторов, существуют модели N-FET и P-FET. N-FET подобны NPN-модификации — для открытия на контакте затвора должно присутствовать более высокое напряжение, чем на контакте истока. При этом P-FET подобны PNP-транзисторам — для открытия напряжение контакта затвора должно быть ниже напряжения контакта истока, естественно, превышая
В спецификациях к P-FET значение Vgs представлено отрицательным числом, например -1,7 В. Как вы могли заметить, проще всего использовать P-FET для переключения на стороне питания, а N-FET для переключения на стороне земли (low side) — до тех пор, пока Vgs будет ниже напряжения шины питания, вам не придётся выходить из диапазона напряжений, доступных в рамках вашей схемы.Итак, при подключении полевого транзистора не забывайте о паразитном диоде — если использовать такой транзистор для переключения и подключить его неверно, перепутав исток и сток, то ваше устройство будет всегда запитываться через паразитный диод, вне зависимости от того, открыт затвор транзистора или нет. С другой стороны, этой проблемы можно избежать, ознакомившись с указанной в спецификации распиновкой, а при проектировании схемы значок полевого транзистора зачастую будет содержать в себе символ паразитного диода — или как минимум стрелку, отходящую от того же контакта.
Что касается различия в именовании, то запомнить его легко — при реализации переключения на стороне питания с помощью P-FET или на стороне земли с помощью N-FET вы подключаете источник питания к контакту истока, которым в случае P-FET выступает плюсовая шина, а в случае N-FET — минусовая.
Расположить полевой транзистор в цепи можно по-разному. Если вы переключаете шину питания 3,3 В, и напряжение вашего микроконтроллера равно 3,3 В, то вы также можете управлять таким транзистором непосредственно через интерфейс ввода-вывода. Несмотря на то, что зарядку затвора этих транзисторов не всегда можно реализовать через этот интерфейс, при небольших масштабах ёмкость затвора не составит для него особой нагрузки, так что в любительских проектах это хороший упрощённый приём. Для большего успокоения можете последовательно добавить между интерфейсом ввода-вывода и затвором резистор, скажем, на 100 Ом. Нередко управление N-FET транзисторами при переключении на стороне земли реализуется через контакты ввода-вывода точно так же, как в случае с NPN-транзисторами.
Вычисление делителя напряжения для удержания Vgs ниже напряжения истока
Тем не менее, если ваши уровни напряжения не совпадают, например, вы управляете нагрузкой 12 В с помощью P-FET и интерфейса ввода-вывода, то есть более популярный способ, который отражён в первом примере схемы. Он заключается в использовании другого полевого или биполярного транзистора для подтягивания затвора в одном направлении, и резистора — для подтягивания в другом. Если вам нужно сохранить Vgs в определённом диапазоне, просто добавьте между затвором и управляющим транзистором ещё один резистор, чтобы получить делитель напряжения.
Это очень эффективный способ, но не безупречный. Затвор — это конденсатор, поэтому его зарядка или разрядка через резистор займёт больше времени, чем проделывание противоположного действия с помощью транзистора, так что при движении в управляемом резистором направлении затвор будет дольше находиться в линейной области.
Это небольшая проблема при эпизодическом включении/отключении нагрузок, но доставит неприятности, если вы решите реализовать ШИМ с повышенной частотой — скажем, при управлении светодиодами или скоростью вращения двигателя, когда индуктивность мотора ещё больше всё усложняет.
Именно здесь на выручку приходят FET-драйверы, представляющие собой небольшую микросхему, внутри которой есть стадия push-pull, помогающая управлять затвором строго, вне зависимости от ёмкости, а также поддерживать Vgs в рамках приемлемого диапазона. В целом вам нужно подключить управляющий интерфейс ввода-вывода к одной стороне микросхемы, затвор полевого транзистора к другой, следовать спецификации драйвера, и всё будет в порядке.
▍ Установка границ
Естественно, у полевых транзисторов есть свои ограничения и нюансы — существует множество их вариаций в корпусах SOT23, которые все выглядят одинаково, но лишь некоторые из них сдюжат, когда вам потребуется реализовать управление несколькими метрами светодиодной ленты.
Самыми важными параметрами являются максимальная сила тока и напряжение между истоком и стоком — они определяют допустимую нагрузку, которой можно управлять с помощью полевого транзистора. Если она будет составлять 12 В/3 А, то мудрым решением будет выбрать транзисторы 20 В/4 А Vds/Ids, а если речь идёт о 3,3 В/1 А, то обычно подойдёт транзистор 12 В/3 А.
Паразитный диод может оказаться очень кстати, например, в случае переключения индуктивных нагрузок, так как будет рассеивать часть обратного электромагнитного поля, которое может получить транзистор. Хотя особо на него не полагайтесь. Если вам нужен диод, то лучше будет просто добавить дополнительный параллельно.
Нашли хорошие недорогие полевые транзисторы или, возможно, обнаружили неплохие у себя в закромах, но они слегка недотягивают по силе тока? Обрадую вас — зачастую можно установить похожие транзисторы параллельно, чтобы увеличить максимально проводимый ими ток. В отличие от диодов, большинство полевых транзисторов имеют положительный термальный коэффициент — чем больше тока через них протекает, тем сильнее они нагреваются.
При этом также растёт сопротивление, в результате чего параллельно подключенные транзисторы выравнивают показатели друг друга, даже если их параметры не совпадают. В таком случае вам уже не потребуется использовать отдельные управляющие схемы — просто запараллельте транзисторы, соединив все три контакта, и это сработает.
Контакт затвора здесь окажется наиболее уязвимым — к примеру, он весьма восприимчив к электростатике, и в некоторых транзисторах даже есть специальные диоды защиты, подключенные между затвором и истоком. В отличие от биполярных транзисторов, которым требуется постоянно протекающий ток, здесь достаточно лишь один раз зарядить затвор, и он будет оставаться открытым достаточно долго. При этом требуется настолько небольшой заряд, что зачастую можно заряжать затвор буквально прикосновением пальца, если ничто его не притягивает в одном из направлений. Видите резистор R1 на самой первой схеме? Он удерживает затвор разряжённым, а транзистор закрытым до тех пор, пока тот не будет намеренно открыт — без этого резистора транзистор сам бы не закрывался, оказываясь восприимчивым к различным шумам.
Если вы не используете драйвер затвора, то между ним и истоком вам обязательно потребуется резистор.
Защита затвора от статических разрядов
Кроме того, обычно порог максимального Vgs намного ниже порога Vds — к примеру, для транзистора 30 В Vds несвойственно работать при максимальном Vgs 12 В или около того. Превысьте эту величину, и транзистор наверняка откажет. Предположим, вы переключаете 20 В с помощью подобного P-FET в обычной конфигурации переключения на стороне питания и получаете хороший Rds (сопротивление сток-исток) при -6 В — вам нужно будет удерживать затвор примерно на 12 В. Опять же, проще всего это будет реализовать с помощью делителя напряжения, и резистор для подтягивания затвора прекрасно в эту картину впишется.
Отказ полевого транзистора обычно происходит в виде короткого замыкания — это весьма плохо, если вы полагаетесь на него в каком-то критическом месте. Но есть здесь и положительный момент, а именно то, что отказавший транзистор обнаружить довольно легко.
В некоторых продуктах, таких как паяльники Pinecil, используются два последовательных полевых транзистора, обеспечивающих дополнительную защиту от подобных случаев. И оно понятно — вашим клиентам вряд ли понравится, если жало их паяльника будет нагреваться неконтролируемым образом. Тем не менее разработчики других продуктов используют по одному полевому транзистору и не заморачиваются — в целом отказы происходят редко.
К слову о Pinecil. В нём используется нетипичная управляющая схема — там присутствует NPN-транзистор, но его база управляется через конденсатор, чтобы пропускать только переменную составляющую управляющего сигнала. В результате, если основной микроконтроллер повиснет, и управляющий контакт ввода-вывода застрянет на высоком уровне, транзистор не останется активен.
▍ До скорой встречи
Хотите побольше узнать о полевых транзисторах? В сети есть уйма информации. К примеру, вот прекрасная заметка от Texas Instruments (ссылка может не работать, — прим.
пер.). Здесь на Hackaday мы также рассматривали эти транзисторы в нескольких контекстах — логика КМОП, переключение высокого напряжения, поставка деталей, и общее знакомство. Вдобавок к этому выходило вводное руководство.
Естественно, об этих транзисторах можно рассказать ещё много интересного. В следующий раз мы перейдём от фрагментов схем к реальным случаям использования. Я хочу показать вам несколько крутых примеров, в которых такие транзисторы используются, возможно, менее традиционными способами; начиная со схем мягкого запуска и защиты от обратной полярности до смещения уровней, есть много задач, которые полевой транзистор может решать на вашей плате. Ах да, в продолжении я также приведу рекомендации по номерам деталей, дам советы по их выбору и поделюсь полезной информацией, которая может пригодиться вам для лучшего понимания темы.
Пол-лимона подарков от RUVDS. Отвечай на вопросы и получай призы 🍋
Как работают транзисторы?. Действительно, почти как туалет со смывом… | Джованни Органтини | Стартап
Как работают транзисторы?.
Действительно, почти как туалет со смывом… | Джованни Органтини | Стартап | MediumПочти как унитаз со смывом…
Giovanni Organtini
·
Follow
Опубликовано в
·
7 мин чтения
· 90 005
17 января 2021 г.
Транзисторы являются строительными блоками нашей электронные гаджеты: от смартфонов до компьютеров, игрушек, кухонных принадлежностей, чистящих средств и т. д.
Несмотря на их повсеместное распространение, лишь немногие знают о том, как они работают. На самом деле понять принципы их работы не так уж и сложно.
Чтобы понять, как работает транзистор, нам нужно понять, что такое диод . Фактически, транзистор, в…
Автор Джованни Органтини
370 подписчиков
·Писатель для
Профессор физики в Университете Ла Сапиенца в Риме.
Участник коллабораций CMS и PADME. Сторонник Arduino и посол фифокса.
Еще от Джованни Органтини и The Startup
Джованни Органтини
в
Как байесовская статистика работает при обновлении вероятностей
9005 1 Как эксперименты обновляют знания, ведущие к точным оценкам вероятностей
·7 мин чтения·июль 23, 2022
Zulie Rane
in
Если вы хотите стать творцом, удалите все (кроме двух) платформы социальных сетей
В октябре 2022 года, во время разгрома Илона Маска, я наконец удалил Твиттер от мой телефон. Примерно в то же время я также вышел из… 9
Нитин Шарма т что 99% читателей не знакомы любым из этих инструментов.
·Чтение через 6 мин·5 апреля
Джованни Органтини
Программирование BLE для Arduino
Как собирать и публиковать данные с помощью Bluetooth Low Energy с Arduino
9000 6 · 6 минут чтения · 12 февраля 2021 г.
Просмотреть все от Джованни Органтини
Рекомендовано на Medium
Неприлично
10 секунд, которые закончились моим 20-летним браком
Август в Северной Вирджинии, жаркий и влажный. Я до сих пор не принял душ после утренней пробежки. На мне моя мама-домохозяйка…
·Чтение через 4 минуты·16 февраля 2022 г.
Alex Mathers
14 вещей, которые я хотел бы знать в 25 лет (сейчас мне 38)
Пишу вскоре после моего 38-летия. Пришло время задуматься.
·4 мин чтения·27 декабря 2022 г.
Списки
Выбор персонала
307 историй·69 сохранений
Истории, которые помогут вам повысить свой уровень на работе
19 историй ·30 сохранений
Самосовершенствование 101
20 этажей·69 сохранений
Продуктивность 101
20 этажей·63 сохранения
Aleid ter Weel
in
10 Чем заняться вечером вместо вечера Просмотр Netflix
Рост количества привычек без устройств Ваша продуктивность и счастье.
·5 мин. чтения·15 февраля 2022 г.
Александр Нгуен
in
Почему я постоянно терплю неудачу с кандидатами во время собеседований в Google…
Они не встречаться с баром.
·4 минуты чтения·13 апреля
The PyCoach
в
Вы используете ChatGPT неправильно! Вот как опередить 99% пользователей ChatGPT
Освойте ChatGPT, изучив технику быстрого доступа.
·Чтение через 7 мин·Мар 17
Сомнатх Сингх
в
Кодирования не будет через 5 лет. Вот почему
Те, кто не приспособятся, перестанут существовать.
·8 min read·Jan 20
См. дополнительные рекомендации
Статус
Карьера
Преобразование текста в речь
Описание транзисторов — что они из себя представляют и для чего они нужны
Содержание – Почему важны транзисторы – Что такое транзистор? — История транзистора – Как работают транзисторы? • Роль полупроводников • Транзисторы n-типа и p-типа – Какие типы транзисторов существуют? • БЮТ и МОП-транзистор • Конструкции транзисторов – планарные, FinFET и Gate-all-around – Как делают транзисторы – Кто производит транзисторы?
Транзистор – словосочетание передача fer и res истор – это один из строительных блоков современной электроники.
Он состоит из трех слоев полупроводникового материала, обычно кремния, каждый из которых имеет различный заряд. Он может регулировать или контролировать поток тока или напряжения, усиливать и генерировать электрические сигналы и действовать как переключатель или вентиль. Триллионы транзисторов встроены в электронные устройства на Земле и в космосе.
Внешние слои называются «слив» и «исток», а средний слой — «ворота». Транзистор работает, используя напряжение, подаваемое на затвор, для управления потоком тока между стоком и истоком. Когда на затвор подается небольшое напряжение, между стоком и истоком протекает большой ток, эффективно усиливающий входной сигнал. Когда напряжение, подаваемое на затвор, увеличивается, он блокирует протекание тока между стоком и истоком, эффективно отключая транзистор.
Транзисторы широко используются в электронных схемах, потому что они могут усиливать или коммутировать сигналы с очень небольшим энергопотреблением, и их можно легко интегрировать в различные схемы.
Они являются важным компонентом широкого спектра электронных устройств, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.
Почему важны транзисторы
Транзисторы важны, потому что они являются строительными блоками современных электронных схем и используются в самых разных электронных устройствах. Они являются ключевым компонентом многих продуктов, которые мы используем ежедневно, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.
Транзистор называют «рабочей лошадкой электронных технологий» и «нервными клетками века информации». Без них мы до сих пор жили бы в 1950-х, говоря электронным языком: без портативных компьютеров, игровых приставок, электронных камер, смартфонов, умных часов и интернета, без GPS, без космических телескопов или марсоходов, без современных автомобилей. никаких крошечных слуховых аппаратов и громоздких черно-белых телевизоров. Производство, финансы, здравоохранение, наука и исследования, транспорт — затронуты будут почти все аспекты современной жизни.
Транзисторы также используются для высокочастотных приложений, таких как схемы генератора, используемые для генерации радиосигналов.
Транзисторы обладают несколькими важными характеристиками, которые делают их подходящими для использования в электронных схемах. Они могут усиливать или переключать сигналы с очень низким энергопотреблением, их можно легко интегрировать в различные конфигурации схем, и они могут быть изготовлены с использованием различных материалов и процессов.
Помимо практического применения, транзисторы также оказали значительное влияние на общество и культуру. Разработка транзистора сыграла решающую роль в развитии компьютерной и телекоммуникационной индустрии и способствовала быстрому темпу технологических изменений, которые мы наблюдаем в течение последних нескольких десятилетий.
С момента своего изобретения в 1947 году транзисторы стали невообразимо маленькими, размером с одну цепочку ДНК! Например, новейшая 2-нанометровая (нм) технология IBM позволяет компании втиснуть ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь.
Даже используемые в коммерческих целях устройства, такие как нынешние топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии, которые уже содержат 20 миллиардов транзисторов.
Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти и микропроцессоры.
Что такое транзистор?
Транзисторы являются активными компонентами компьютерного чипа (также называемого микрочипом, интегральной схемой или ИС), который может содержать миллиарды этих устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. На чипе транзисторы действуют как взаимосвязанные миниатюрные электрические переключатели, которые могут усиливать электрические сигналы или включать или выключать ток.
Как и любой электрический переключатель, транзистор должен исключительно хорошо выполнять три задачи: пропускать максимальный ток во включенном состоянии; не допускайте утечки тока, когда он выключен; и включать и выключать как можно быстрее, чтобы гарантировать оптимальную производительность.
Это означает, что каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, сохраняя два числа — ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может содержать миллиарды нулей и единиц, отправляя, получая и обрабатывая значительный объем данных.
История транзистора
В 1940-х годах электронные лампы и электромеханические реле широко использовались в быстро растущих телефонных сетях. Электромеханические реле сделали реальностью полностью автоматический телефонный набор и переключение, но реле имели низкую скорость.
Вакуумные лампы широко использовались в качестве диодов и триодов в электронной промышленности того времени. Первый компьютер, который будет использовать электронные лампы, электронный числовой интегратор и компьютер, также известный как ENIAC, был построен в 1946 году.
Фактически, ENIAC использовал более 17 000 электронных ламп для своей работы, что позволяло отправлять сигналы и выполнять вычисления. выполняться быстрее за счет использования электрического переключения, а не более медленного механического переключения.
Проблема с электронными лампами заключалась в том, что они были не очень надежными и были огромными по сравнению с транзисторами — как следствие, ENIAC занимал 15×9метров (50х30 футов) большая комната. Он обрабатывал около 500 операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS). Теоретическая производительность процессора Apple M2 в последних iPhone оценивается в 3,6 терафлопс, то есть 3,6 трлн флопс — и это умещается на ногте.
В 1940-х годах в лабораториях Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли приступили к изучению полупроводниковых материалов, чтобы выяснить, смогут ли они создать прочную альтернативу, которая в конечном итоге сможет заменить электронные лампы.
в телефонных сетях.
Бардин, Браттейн и Шокли тестировали различные комбинации полупроводников p-типа и n-типа в различных условиях, пока наконец не нашли конфигурацию, которая позволила бы тонкому слою полупроводника регулировать большой ток между двумя электродами.
16 декабря 1947 года они продемонстрировали первый работающий транзистор, теперь известный как транзистор с точечным контактом (подвиг, за который они были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года). Первый транзистор был размером примерно с большой палец.
Хотя транзистор с точечным контактом был первым изобретённым транзистором, он так и не стал коммерчески успешным, поскольку трудно контролируемые изменения в точечных контактах металл-полупроводник затрудняли их надёжное производство.
и с едиными рабочими характеристиками.
Коммерческие транзисторы начали набирать обороты после того, как в июле 1951 года Bell Labs объявила об успешном изобретении и разработке переходного транзистора.
К концу 1950-х годов транзисторы с биполярным переходом почти полностью заменили электронные лампы в компьютерных приложениях.
Транзистор работал эффективнее электронной лампы и потреблял меньше энергии. Это не только произвело революцию в телефонных сетях и компьютерных технологиях, но также позволило компьютерам стать меньше и экономичнее, а также развиваться более быстрыми темпами. Транзисторы стали ступенькой между электронными лампами и современными компьютерными технологиями.
В 1971 году появился первый микропроцессор: Intel 4004, включающий 2300 транзисторов и первую память. Ширина линии схемы микропроцессора Intel 4004 составляла 10 микрон или 10 000 нанометров. 40 лет спустя процессор Intel Core с 32-нм кристаллом содержал 560 миллионов транзисторов.
Еще через 10 лет, к 2021 году, топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии и содержащие 20 миллиардов транзисторов.
Сложность интегральных схем растет экспоненциально, удваиваясь каждые 2-3 года в соответствии с законом Мура, поскольку транзисторы продолжают становиться все более миниатюрными.
Закон Мура, постулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, соблюдает эмпирическую закономерность, согласно которой количество транзисторов в интегральных схемах удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение остается в силе уже более 50 лет и способствует развитию вычислительной техники, в том числе скорости обработки и стоимости компьютеров.
Как работают транзисторы?
Транзистор — это устройство для управления, усиления и генерации электрических сигналов практически во всех современных электронных устройствах.
Он основан на электронных свойствах полупроводникового материала для его функции регулировать или контролировать ток или поток напряжения, усиливая и генерируя эти электрические сигналы и действуя для них как переключатель / ворота.
Транзистор работает как электронный переключатель, который может включать и выключать ток. Таким образом, его основной принцип работы применим непосредственно к обработке двоичного кода (0, ток заблокирован, 1 он проходит) в логических схемах (инверторах, логических элементах, сумматорах и ячейках памяти). Но транзистор также может быть частично включен, что полезно для создания усилителей.
Роль полупроводников
В отличие от проводников, таких как металлы, которые имеют множество свободных электронов для передачи электрического тока, полупроводники, такие как кремний и германий, имеют очень мало носителей заряда. Однако добавление небольшого количества определенных примесей — процесс, называемый легированием, — может изменить количество носителей заряда.
Легирование модулирует его электрические, оптические и структурные свойства и, как следствие, позволяет кремнию приобретать свободные электроны, которые переносят электрический ток.
Когда полупроводник подвергся легированию, его называют внешним полупроводником . Напротив, полупроводник в чистом нелегированном виде представляет собой собственный полупроводник .
При легировании кремния существует два типа примесей, по которым классифицируются кремниевые полупроводники: n-типа, когда из него вытекают электроны, и p-типа, когда электроны в него втекают. В любом случае полупроводник позволяет транзистору функционировать как переключатель или усилитель.
Транзисторы n-типа и p-типа
Например, если в кремний добавить небольшое количество фосфора или мышьяка, получится хороший полупроводник, в котором электроны, отданные фосфором или мышьяком, действуют как носители заряда. Полупроводники, полученные таким образом, называются полупроводниками n-типа, так как заряд носителей отрицателен.
Более примечательный тип полупроводника образуется при легировании кремния небольшим количеством бора или галлия. Бор или галлий обеспечивают положительно заряженный носитель, похищая электрон у кремния. Вместо электрона остается дырка, и эта дырка может перемещаться внутри полупроводника, действуя как носитель положительного заряда. Эти полупроводники называются полупроводниками р-типа.
Техническое значение полупроводников во многом связано с взаимодействием дырок и электронов. Существенная разница между легированием n- и p-типа заключается в направлении, в котором электроны текут через осажденные слои полупроводника. Кремний как n-, так и p-типа является хорошим (но не отличным) проводником электричества. Кремний N- и p-типа сам по себе не представляет ничего удивительного. Однако, когда вы соединяете их вместе, интересное поведение проявляется на стыке между ними.
Работа переходных транзисторов, как и большинства других полупроводниковых устройств, сильно зависит от поведения электронов и дырок на границе раздела двух разнородных слоев, известной как p-n переход.
Какие типы транзисторов существуют?
Конструкция транзистора со временем претерпела изменения: от планарных до транзисторов FinFET и транзисторов с затвором по всему периметру (GAA).
BJT и MOSFET
Обычно транзистор, основанный на переносе электронов в твердом теле (т. е. твердотельное устройство), а не в вакууме, как в старых электронных лампах, состоит как минимум из три вывода для подключения к электронной схеме: база, эмиттер и коллектор, как они называются в классическом транзисторе с биполярным переходом (BJT). В современных переключающих приложениях, в которых используются полевые транзисторы (FET), они называются вентиль , сток и источник .
Источник действует как эмиттерная нить накала электронной лампы; слив действует как пластина коллектора; и ворота действуют как контроллер. Эти элементы работают по-разному в двух основных типах транзисторов, используемых сегодня: транзисторах с биполярным переходом, которые появились первыми, и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET).
При работе в качестве усилителя транзистор преобразует небольшой входной ток в больший выходной ток. В качестве переключателя он может находиться в одном из двух различных состояний — ВКЛ или ВЫКЛ — для управления потоком электронных сигналов через электрическую цепь или электронное устройство.
Сегодня МОП-транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов. Это связано с уникальными характеристиками этого транзистора, в основном с низким энергопотреблением и высокой производительностью. Его можно использовать в качестве переключателя, а также для усиления сигналов в электронных устройствах.
Конструкция транзистора
Планарные транзисторы
Типы биполярных переходных транзисторов: транзисторы n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n изготавливается путем помещения материала p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор p-n-p изготавливается путем помещения материала n-типа между двумя материалами p-типа.
Все эти компоненты построены на основе полупроводникового материала кремния. Эта концепция транзистора была промышленно внедрена в 1950-х и 60-х годах и очень подходила для массового производства и миниатюризации.
Транзисторы FinFET
Со временем инженеры обнаружили, что можно лучше контролировать поток тока в канале, поднимая ворота над плоскостью кремния, как плавник над водой. . В то время как биполярный транзистор управляется током, полевой транзистор (FET) управляется напряжением. Кроме того, полевой транзистор является униполярным устройством, что означает, что он изготовлен с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки.
Следовательно, проводимость тока полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.
Основным преимуществом полевого транзистора является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, порядка мегаОм. Дополнительными преимуществами являются низкое энергопотребление и низкое тепловыделение, что делает полевые транзисторы высокоэффективными устройствами. Следовательно, промышленность переключилась с 2D-планарных транзисторов на полевые транзисторы с 3D-ребрами, сокращенно FinFET.
В транзисторах FinFET затвор охватывает канал с трех сторон кремниевого ребра, а не через его верхнюю часть, как в планарных транзисторах. Это создает инверсионный слой с гораздо большей площадью поверхности, что позволяет затвору лучше контролировать протекание тока через транзистор. Это означает, что через транзистор может протекать больший ток с меньшей утечкой, а для работы транзистора требуется более низкое напряжение затвора. Кроме того, вертикальная геометрия FinFET позволила инженерам упаковать больше транзисторов в микросхему, еще больше продвинув закон Мура.
Результатом стал чип с более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и лидирующим статусом в 2010-х годах.
Транзисторы со сквозным затвором
С современными чип-узлами, которые производят ведущие производители микросхем, полевые транзисторы FinFET достигают предела своих возможностей. сколько ребер можно поставить рядом друг с другом, чтобы увеличить их пропускную способность по току, не страдая от проблем с электричеством.
Чтобы еще больше улучшить управление транзисторным каналом, инженеры нашли способ заменить вертикальное ребро стопкой горизонтальных листов, создав новую концепцию, называемую полевыми транзисторами с открытым затвором, которые сокращенно называются GAA-транзисторами. или GAAFET.
Транзисторы со сквозным затвором используют многослойные нанолисты. Эти отдельные горизонтальные листы уложены друг на друга вертикально, так что затвор окружает канал со всех четырех сторон, дополнительно уменьшая утечку и увеличивая управляющий ток.
Это означает, что превосходные электрические сигналы проходят через транзисторы и между ними, улучшая производительность чипа.
Кроме того, у производителей микросхем теперь есть возможность варьировать ширину нанолистов в соответствии с конкретной конструкцией микросхемы. В частности, широкие нанолисты обеспечивают более высокий и лучший управляющий ток, а узкие нанолисты могут оптимизировать энергопотребление.
Как изготавливаются транзисторы
Транзисторы на микросхемах изготавливаются путем создания слоев взаимосвязанных узоров на кремниевой пластине. Этот производственный процесс представляет собой очень сложное предприятие, включающее сотни высокоточных шагов, выполняемых в сверхчистых помещениях со сложным и специализированным оборудованием.
С самого начала транзисторы изготавливались из кремния (Si), который остается наиболее широко используемым полупроводником из-за исключительного качества интерфейса, создаваемого кремнием и оксидом кремния (SiO2), который служит изолятором.
Вот краткий обзор основных этапов:
1) Осаждение
Первым этапом создания микрочипа обычно является нанесение тонких пленок материалов на кремниевую пластину. Эти материалы могут быть проводниками, изоляторами или полупроводниками.
2) Литография
Литография, или фотолитография, является важным этапом в процессе изготовления компьютерных микросхем. Он включает в себя покрытие пластины светочувствительным материалом и экспонирование ее светом внутри литографической машины.
3) Покрытие фоторезистом
Для печати слоя чипа пластина сначала покрывается светочувствительным слоем, называемым «фоторезистом» или для краткости «резистом». Затем он поступает в литографическую машину.
4) Экспонирование
Внутри литографической машины свет проецируется на пластину через сетку, содержащую план печатаемого рисунка. Оптика системы сжимает рисунок и фокусирует его на резисте. Когда свет попадает на резист, он вызывает химические изменения, воссоздавая рисунок сетки на резисте.
5) Компьютерная литография
Сетку, содержащую рисунок, который будет напечатан на пластине, иногда необходимо оптимизировать путем преднамеренной деформации рисунка, чтобы компенсировать физические и химические эффекты, возникающие во время литографии.
6) Запекание и проявление
После выхода из литографической машины пластина запекается и проявляется, чтобы сделать эти изменения постоянными, а часть фоторезиста смывается, чтобы создать узор из открытых пространств в резисте.
7) Травление
Такие материалы, как газы, используются для травления материала из открытых пространств, образующихся на этапе разработки, оставляя трехмерную версию рисунка.
8) Метрология и контроль
На протяжении всего процесса производства чипов пластина измеряется и проверяется на наличие ошибок. Эти измерения возвращаются в системы и используются для оптимизации и стабилизации оборудования.
9) Ионная имплантация
Пластина также может быть подвергнута бомбардировке положительными или отрицательными ионами для настройки полупроводниковых свойств частей шаблона перед удалением оставшегося фоторезиста.
10) Повторять, повторять, повторять
Шаги 1-9, от осаждения до удаления сопротивления, повторяются до тех пор, пока пластина не будет покрыта узором, завершая один слой чипов пластины. Чтобы сделать весь чип, этот процесс можно повторить до 100 раз, накладывая шаблоны поверх шаблонов, чтобы создать интегральную схему.
11) Обработанная пластина
На последнем этапе производства пластина нарезается на отдельные чипсы, которые помещаются в защитные пакеты.
Здесь, на веб-сайте Toshiba, есть отличная карта производственного процесса, от начального роста пленки оксида кремния до окончательного процесса создания слоя проводки.
Кто производит транзисторы?
Транзисторы производятся различными компаниями, в том числе крупными транснациональными корпорациями, а также небольшими специализированными фирмами.
Некоторые из ведущих производителей транзисторов включают:
- Intel
- Самсунг
- TSMC (Тайваньская компания по производству полупроводников)
- СК Хайникс
- Qualcomm
- Бродком
- Техас Инструментс
- ПО Полупроводник
Эти компании используют различные материалы и процессы для производства транзисторов, включая кремний, германий и другие полупроводниковые материалы. Они также могут производить различные типы транзисторов, такие как биполярные транзисторы, полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) и другие типы устройств. Многие из этих компаний также разрабатывают и производят полупроводниковые устройства других типов, такие как интегральные схемы, микросхемы памяти и датчики.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (которая производит все чипы Apple), Intel и Samsung Electronics — единственные компании, которые могут производить самые современные микрочипы. Причина, по которой этот клуб настолько эксклюзивен, заключается в огромных капитальных затратах на строительство заводов по производству полупроводников ( fabs или литейных заводов ), которые производят эти микросхемы.
Например, TSMC, как сообщается, тратит 34 миллиарда долларов на свой последний литейный завод, который будет производить будущие 2-нм чипы.
Однако эти фабрики не могли существовать сами по себе. Передовая полупроводниковая промышленность представляет собой сложную сеть специализированных компаний из Америки, Европы и Азии.
Просто чтобы дать вам представление об этой экосистеме: используя сложные инструменты автоматизированного проектирования и программное обеспечение от Synopsys и Cadence, такие компании, как AMD, Qualcomm, Intel, Apple и Nvidia, преуспевают в разработке самых передовых чипов. Applied Materials разрабатывает и производит оборудование, используемое на различных этапах процесса изготовления пластин. ASML обеспечивает литографию. Zeiss SMT специализируется на оптических линзах, которые рисуют трафареты на кремниевых пластинах этих конструкций, используя как глубокий, так и экстремальный ультрафиолетовый свет. Lam Research, KLA и другие фирмы поставляют различное сложное и узкоспециализированное оборудование для изготовления пластин.
