Как выглядит транзистор кт315

Транзистор КТ — один из самых массовых отечественных транзисторов, был запущен в производство в году. Первоначально выпускался в пластиковом корпусе КТ Если расположить КТ маркировкой к себе выводами вниз, то левый вывод это эмиттер, центральный — коллектор, а правый — база. Цоколевка КТ в этом копусе такая же как и в КТ КТ это маломощный кремниевый высокочастотный биполярный транзистор с n-p-n структурой. Имеет комплементарный аналог КТ c p-n-p структурой.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Транзистор КТ315: КТ315А, КТ315Б, КТ315В, КТ315Г, КТ315Д, КТ315Е, КТ315Ж, КТ315И, КТ315Р
• Эквивалентная схема биполярного транзистора
• транзистор кт315 аналоги
• Биполярный транзистор. Как найти выводы неизвестного транзистора. Транзисторы как выглядят
• Наши любимые транзисторы КТ315 и КТ361
• Простейший усилитель на трех транзисторах КТ315
• Моргающий светодиод своими руками
• Зарубежные аналоги отечественных кремниевых биполярных транзисторов

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Аффинаж КТ 315

Транзистор КТ315: КТ315А, КТ315Б, КТ315В, КТ315Г, КТ315Д, КТ315Е, КТ315Ж, КТ315И, КТ315Р

Радиотехника начинающим перейти в раздел. Букварь телемастера перейти в раздел. Основы спутникового телевидения перейти в раздел. Каталог схем перейти в раздел. Литература перейти в раздел. Статьи перейти в раздел. Схемы телевизоров перейти в раздел. Файловое хранилище перейти в раздел.

Доска объявлений перейти в раздел. Радиодетали и ремонт в Вашем городе перейти в раздел. ФОРУМ перейти в раздел. Справочные материалы Справочная литература Микросхемы Прочее. Очень простой в изготовлении и не требующий дефицитных деталей усилитель низкой частоты УНЧ на трех транзисторах КТ с выходной мощностью порядка 1 Ватт. Прекрасно подойдет для использования с наушниками, а также для работы с маломощным динамиком.

Схема усилителя очень проста и использует недорогие доступные детали среди которых широко распространенные транзисторы КТ Эти транзисторы можно найти практически в любой отечественной радиоаппаратуре. В схеме использованы три транзистора КТ, вы также можете их заменить и на другие сходные по параметрам, к примеру можно попробовать транзисторы КТ и другие со структурой N-P-N.

Если вдруг кто подзабыл как он выглядит- ниже на картинке представлены его внешний вид и цоколевка:. Для питания усилителя можно использовать батарею КРОНА, напряжением 9В, также можно попробовать использовать батарею составленную из нескольких элементов по 1,5В. Таким образом, используя доступные детали и с минимальными затратами можно собрать простой и неплохо звучащий усилитель НЧ.

Почта сайта. Радиосхемы Схемы электрические принципиальные. Реклама на сайте. Технические характеристики: Входной сигнал — мВ; Выходная мощность — около 1 Вт. Цоколевка транзисторов КТ Если вдруг кто подзабыл как он выглядит- ниже на картинке представлены его внешний вид и цоколевка: Для питания усилителя можно использовать батарею КРОНА, напряжением 9В, также можно попробовать использовать батарею составленную из нескольких элементов по 1,5В.

Схема не требует наладки и, как правило, начинает работать сразу же после включения.

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Регистрация на форуме — это бесплатная процедура, которую нужно пройти всего один раз, чтобы иметь возможность вести диалог в существующих темах, а так-же создавать свои. Автор: Admin-Radiodetali-Sfera. После проведения нескольких анализов цена подкорректируется. Приветствую Денис!

Транзисторы КТ и КТ, высокочастотный КТ Старые транзисторы в массивных металлических корпусах выглядят весьма.

транзистор кт315 аналоги

Нужны еще сервисы? Архив Каталог тем Добавить статью. Как покупать? Всем здарова! Так как я к каждой бочке затычка, не могу обойти вниманием столь важную тему! Выдержка из Википедии с моими дополнениями: КТ — тип кремниевого биполярного транзистора, n-p-n проводимости, получившего самое широкое распространение в советской радиоэлектронной аппаратуре. В году А.

Биполярный транзистор. Как найти выводы неизвестного транзистора. Транзисторы как выглядят

Категория: Tonich , Маркировка компонентов. Личный кабинет Регистрация Авторизация. Логин: Пароль Забыли? Логин: Пароль: запомнить меня что это.

У любого начинающего радиолюбителя присутствует желание поскорей собрать что-нибудь электронное и желательно, чтобы оно заработало сразу и без трудоёмкой настройки.

Наши любимые транзисторы КТ315 и КТ361

В этой статье опишу несколько СВЧ и не только транзисторов,которые есть у меня в наличии,где они применяются и для чего нужны. Допустим,кт не СВЧ транзистор,т. На этих частотах работают радиостанции,сотовые телефоны,wi-fi и другая передающая аппаратура. Вместо транзисторов,в выходном каскаде передатчика стоят СВЧ микросхемы усилителя мощности,но в них все равно находятся СВЧ транзисторы. На мощные СВЧ транзисторы, в характеристиках,помимо других,указывают выходную мощность транзистора на определенной частоте при определенном питании и при входной частоте.

Простейший усилитель на трех транзисторах КТ315

Отправить комментарий. Транзисторы КТ и КТ Характеристики и их зарубежные аналоги. Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные усилительные высокочастотные маломощные. Предназначены для работы в усилителях высокой и низкой частоты. Транзистор КТ один из самых распространенных отечественных транзисторов. У КТ есть аналог другой проводимости p-n-p- это транзистор КТ У транзистора КТ на корпусе возле буквенного индекса есть точка или пробел.

Здравствуйте, нужен был транзистор серии кт, но в радиомаге продавщица точно.

Моргающий светодиод своими руками

Регистрация Вход. Ответы Mail. Вопросы — лидеры Не взлетает квадрокоптер 1 ставка. Перестал работать Mi band 4 1 ставка.

Зарубежные аналоги отечественных кремниевых биполярных транзисторов

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КТ315 самый популярный советский транзистор

Главная — Силовая электроника — КТ — рабочая лошадка отечественной электроники. Наши любимые транзисторы КТ и КТ В выходной день, решил собрать видеоусилитель для своей игровой приставки Dendy, для улучшения качества видео изображения. Схема довольно простая, и насчитывает не больше десятка радиодеталей.

Итак, как же нам распознать биполярный транзистор среди кучи радиоэлементов, имеющих схожий корпус? Давайте рассмотрим еще раз его внутреннюю структуру.

Транзисторы КТ, — кремниевые, универсальные, мощные низкочастотные, структуры — n-p-n. Предназначены для применения в усилителях низкой частоты, преобразователях и импульсных схемах. Корпус пластмассовый, с гибкими выводами. Масса — около 0,7 г. Маркировка буквенно — цифровая, на боковой поверхности корпуса, может быть двух типов.

Эта пара транзисторов, безусловно, вошла в историю отечественной радиотехники. И пусть их сложно назвать раритетами, но посвятить им отдельную страницу, а то и не одну — святое дело. Ну, кто еще оставил такой след в сердцах мальчишек-радиолюбителей?

Как выглядят транзисторы фото — Инженер ПТО

Содержание

• 1 Внешний вид и обозначение транзистора на схемах
• 2 Внешний вид и обозначение транзистора на схемах
  • • • 2.0.0.1 Виды транзисторов
• 3 Полевые и биполярные транзисторы
  • • • 3.0.0.1 Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость
  • 3. 1 2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3
  • 3.2 КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности
  • 3.3 КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором
  • 3.4 irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET
  • 3.5 FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)
• 4 Рекомендации по эксплуатации транзисторов
• 5 Видео, виды транзисторов

Внешний вид и обозначение транзистора на схемах

На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.

Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.

Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.

Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.

Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.

Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).

Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.

Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.

Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.

Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.

На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.

Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.

Маленький совет.

Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.

Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! «Нет» – значит p-n-p (П-Н-П ).

Ну, а если идём, и не упираемся в «стенку», то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.

Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.

Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.

А вот это уже современный импорт.

Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — «сборщик» (глагол Collect — «собирать»). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — «основной»). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — «эмитент» или «источник выбросов». В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.

В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.

Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90 0 ) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.

Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.

Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.

В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.

В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.

Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.

Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT

Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).

Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).

Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.

Внешний вид и обозначение транзистора на схемах

На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.

Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.

Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.

Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.

Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.

Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).

Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.

Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.

Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.

Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.

На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.

Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.

Маленький совет.

Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.

Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! «Нет» – значит p-n-p (П-Н-П ).

Ну, а если идём, и не упираемся в «стенку», то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.

Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.

Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.

А вот это уже современный импорт.

Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — «сборщик» (глагол Collect — «собирать»). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — «основной»). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — «эмитент» или «источник выбросов». В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.

В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.

Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90 0 ) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.

Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.

Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.

В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.

В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.

Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.

Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT

Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).

Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).

Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим виды транзисторов и область их применения. И так…

Транзистор, это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Это позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Виды транзисторов

О том что такое транзистор, читайте в статье «Что означает слово транзистор? Назначение и устройство. » Здесь лишь отметим, в большинстве применений транзисторы заменили собой вакуумные лампы, свершилась настоящая кремниевая революция в создании интегральных микросхем. Так, сегодня в аналоговой технике чаще используют биполярные транзисторы, а в цифровой технике — преимущественно полевые.

Устройство и принцип действия полевых и биполярных транзисторов — это так же темы отдельных статей, поэтому останавливаться на данных тонкостях не будем, а рассмотрим предмет с чисто практической точки зрения на конкретных примерах.

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым. Например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Мы рассмотрели здесь только несколько видов транзисторов, и это лишь мизерная часть из обилия моделей электронных компонентов, представленных на рынке сегодня.

Так или иначе, вы с легкостью сможете подобрать подходящий транзистор для своих целей. Документация на них доступна сегодня в сети в виде даташитов, в которых исчерпывающе представлены все характеристики. Типы корпусов современных транзисторов различны, и для одной и той же модели зачастую доступны как SMD исполнение, так и выводное.

Видео, виды транзисторов

Как выглядят процессоры внутри — часть №2

Технологии Процессоры Intel AMD ARM

Как выглядят процессоры внутри — часть №2

Егор Морозов — 17 ноября 2018, 18:14

Продолжаем смотреть, как выглядят внутри различные процессоры и не только они. Ознакомиться с первой частью можно здесь.

Intel 4004 — первый процессор от Intel

1971 год — именно тогда Intel выпустил свой первый микропроцессор по заказу японской компании Nippon Calculating Machine, занимающейся производством калькуляторов. Особыми характеристиками он не блистал: частота всего до 740 кГц, количество транзисторов было 2300 штук, а ширина шины — всего 4 бита. Сам процессор выглядит внутри достаточно необычно — если вы помните первую часть, то там кристаллы переливались всеми цветами радуги, а тут вполне привычные «металлические» цвета — серый, медный, черный:

Причина этого проста — длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 700 нм, а техпроцесс этого процессора — 10 мкм, то есть на порядок больше, поэтому вы видим его так, как он выглядит на самом деле.

К слову, это же означает, что через обычный световой микроскоп можно рассмотреть отдельно взятый транзистор Intel 4004 — но, увы, такой фотографии в интернете я не нашел.

Микросхема 3320А — рассматриваем транзисторы

Конечно, этой микросхеме далеко до полноценного процессора — она представляет собой два логических элемента 4И-НЕ.

Дабы не вдаваться глубоко в теорию — такие микросхемы в зависимости от наличия или отсутствия напряжения на определенных ножках (то есть 0 или 1) имеют или не имеют напряжение на других ножках (тоже 0 или 1), и с помощью этого можно выполнять простейшие действия. К примеру, таблица истинности для элемента 2И-НЕ выглядит так:

4И-НЕ означает, что входов 4, а наша микросхема имеет два таких элемента. И, что самое главное, ее техпроцесс — доли миллиметра, то есть можно взглянуть, как выглядят транзисторы, просто задействовав обычную лупу:

Intel Core i9-7980XE — максимум ядер на одном кристалле

Это — топовый процессор для высокопроизводительной платформы от Intel, и он имеет аж 18 полноценных ядер на одном кристалле, размер которого превышает 300 квадратных миллиметров. Для примера — топовый 8-ядерный Core i9-9900K имеет площадь чуть меньше 200 кв мм, и это при том, что у него еще есть интегрированная графика, которой лишен 18-ядерный CPU.

И, в общем-то, фото под микроскопом подтверждают, что ядра занимают всю площадь кристалла:

Cell Broadband Engine — сердце PlayStation 3

Этот процессор имел один блок POWER Processing Element и 8 блоков Synergistic Processing Element, на частоте в 3.2 ГГц конкурировал по производительности с Intel Core 2 Quad, а максимальная рабочая частота могла быть до 5.6 ГГц — современные Intel Core достигают таких частот в лучшем случае под отличной системой водяного охлаждения, в худшем — под жидким азотом.

Увы, лучшая его фотография — только такая:

Но в интернете доступна его схема:

ST Microelectronics OS MLT 04 — сенсор оптической мыши

Да-да, это не совсем процессор и даже не микросхема, это по сути… объединение камеры с процессором:

Снаружи выглядит необычно, не правда ли? Внутри тоже:

Слева в центре, очевидно, сам фотосенсор — в данном случае он имеет разрешение 22 на 22 пикселя: да, этого более чем хватает, ибо такой «камере» нужно всего лишь улавливать движение, и делать это максимально быстро, поэтому число пикселей минимально, а сам процессор интегрирован на схеме справа.

Apple A7 — не верьте маркетинговым техпроцессам

Возьмем, к примеру, процессор Apple A7 — он создавался на заводах Samsung по 28 нм техпроцессу. Теперь посмотрим на его поперечное фото:

10 транзисторов имеют длину в 1138 нм, то есть размеры каждого транзистора… 114 нм?! Да, все именно так — сейчас производители под техпроцессом подразумевают все что угодно, только не длину затвора транзистора: к примеру, с учетом того, что транзисторы в процессорах расположены в 3D, берут площадь кристалла (то есть по сути 2D) и делят на количество транзисторов, получая при этом цифры, в разы меньше реальных размеров транзисторов. Так что когда вам со сцены говорят, что новый процессор выполнен по 7 нм техпроцессу и чуть ли не вдвое «круче» 10 нм — верить этому не стоит.

AMD Fusion — полноценный APU

В свои процессоры Intel уже второй десяток лет встраивает интегрированную графику, и она по сути играет роль эдакой графической «затычки»: интерфейс системы отрисовывает хорошо, даже видео высокой четкости декодирует, но стоит открыть игры или заняться более-менее серьезной обработкой, как сразу становится понятно, что производительность такой графики очень низкая.

AMD же пошли другим путем: ее топовые процессоры в принципе лишены интегрированной графики, зато есть процессоры слабее, которые имеют очень мощную встроенную графику, которая в разы быстрее Intel HD Graphics, и вот на такие процессоры взглянуть уже интересно. 

Вот так выглядят внутри AMD Fusion:

Слева видны четыре процессорных ядра, а справа — десяток вычислительных модулей интегрированного видео. При этом, если вы вспомните фото Core i9-9900K из первой части материала, то там интегрированная графика занимала в лучшем случае четверть кристалла, а тут — добрую половину.

Процессор ARM1 — четкая логика

Архитектура ARM быстро, буквально за десяток лет, стала самой популярной в мире, оттеснив x86 на второй план. И это не удивительно — именно на ней работают все портативные устройства и различная электроника. Почему? Потому что изначально это была очень простая архитектура — так, ПО для процессора ARM1, выпущенного в 1985 году, имело всего 808 строк кода, а сам процессор выглядел очень и очень необычно:

Сравните с Intel 4004 — у него внутри, казалось бы, полная неразбериха, а у ARM1 — четко размещенные структуры и минимум пустого кремния. И именно эта простота и экономичность в итоге позволили ARM очень серьезно развиться, в конечном итоге уже посягая на области, где исконно применяются x86 процессоры.

Вот такие получились подборки фотографий — конечно, я показал лишь самые интересные на мой взгляд кремниевые чипы изнутри, и если вы нашли еще красивые или интересные фото внутренностей кристаллов CPU или GPU — делитесь ими в комментариях.

Купить рекламу

Рекомендации

• «Google Фото» классно прокачали. Сервис получил совершенно новый дизайн
• Главное ограничение iPhone наконец обошли. App Store больше не нужен
• 📱 Apple закрыла последний способ установки «Сбербанка». Как теперь скачать его на iPhone?
• AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками

Рекомендации

«Google Фото» классно прокачали. Сервис получил совершенно новый дизайн

Главное ограничение iPhone наконец обошли. App Store больше не нужен

📱 Apple закрыла последний способ установки «Сбербанка». Как теперь скачать его на iPhone?

AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками

Купить рекламу

Читайте также

Телефон Россия

Как защитить свой счёт в банке: запретить кредиты и переводы или установить лимиты

Россия Банки

Курс рубля к доллару начнут рассчитывать по-новому

Центробанк Доллар Россия

травление и осаждение. Разбор / Хабр

Современное производство процессоров иначе как произведением технологического искусства назвать просто язык не поворачивается.  Когда начинаешь разбираться с тем какое количество в нем тонкостей и элегантных технологических решений, то просто взрывается мозг. Сегодня мы вам расскажем о двух важнейших этапах при производстве процессоров, а также объясним что общего между созданием процессоров и ковровыми бомбардировками, зачем нужно греть материалы сфокусированным лучом электронов и как получают металлический пар из самого тугоплавкого металла в мире.

Начнем, как обычно у нас принято, с основ. Как мы уже не раз говорили: транзистор — основа всех процессоров. Но сам по себе одиночный транзистор мало что может. В современных чипах их миллиарды!

Кроме того, все эти транзисторы надо друг с другом связать в правильной последовательности, то есть фактически проложить провода от одного транзистора к другому.

Только вдумайтесь, вам надо в правильной последовательности связать друг с другом миллиард крошечных транзисторов. К каждому транзистору надо подвести по три провода — сток, исток и затвор. Плюс ко всему сам транзистор — это сложный сендвич, в котором в правильной последовательности расположены полупроводники различных типов, изоляторы и металлические контакты.

Давайте просто представим, забыв о том, что транзисторы в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, что вы весь из себя такой Флэш и умеете делать, скажем 100 транзисторов в секунду! Знаете сколько времени у вас уйдет на создание одного чипа М1 от Apple? Пять лет! На создание всего лишь одного чипа! Для одного MacBook! Этот метод явно не подходит, надо думать что-то другое.

Тут то и приходит на помощь наша святая троица, а именно процессы Фотолитографии, Травления и Осаждения! Эти три типа процессов являются базой для создания всех современных процессоров. Да и не только процессоров: эти же процессы являются основой при создании экранов, будь то OLED или LCD, матриц фотокамер, различных модемов, датчиков и например МЕМСов.

Об одном из процесов мы уже вам рассказывали в нашем материале про Экстремальную Ультрафиолетовую литографию.

Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.

Создание транзистора

Давайте представим, что создание транзистора — это как постройка дома. Вам необходимо сначала разметить землю, понять, где у вас будут коммуникации, где фундамент — это и есть литография.

Затем вы вызываете трактор, который приезжает и выкапывает для вас ровненькую траншею именно той геометрии, которую вы разметили — это и есть травление, то есть процесс удаления материала из только определенных областей. Чем глубже трактор копает — тем глубже получится траншея, так же и с травлением.

Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента — это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.

Комбинацией этих процессов и создается наш дом, мы размечаем участок, травим и осаждаем где надо и наш дом растет слой за слоем, так же и с транзисторами. В результате получаем сложную слоистую структуру из разных материалов. Только таких домов надо строить сотни миллиардов одновременно!

Травление

Давайте перейдем к травлению.  Как мы можем убрать какой-то материал? Ведь трактором траншею в несколько нанометров не вырыть.

В целом, есть два вида травления — сухое и мокрое. При использовании мокрого травления наш материал помещается в специальную ванну или поливается сверху определенным раствором. Этот раствор химически реагирует и растворяет тот материал, который мы хотим убрать, это и удаляет материал с поверхности. Но у такого метода есть минусы, которые при создании маленьких транзисторов очень важны — жидкость затекает во все места, ведь это жидкость и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску! Здесь маска закрывает на нашем чипе те участки, которые мы не хотим удалять, то есть травить!

Поэтому при производстве часто используют сухое травление. Для этого надо создать плазму! Как и в Экстремальной УФ-литографии нам нужно прибегнуть к помощи четвертого агрегатного состояния вещества! Только если там плазма нужна была для создания света с определенной длинной волны, то здесь она нужна совсем для другого.

Видите ли, плазма это не просто светящийся газ — она полна разных частиц, атомов, электронов, а также различных положительных и отрицательных ионов. Вот в этих ионах и кроется ключевая особенность. Ведь ионы мало того, что имеют какой-то заряд, так еще и очень реактивны, а это нам и нужно! Сейчас объясним…

Поскольку ионы имеют какой-то заряд, то мы можем их направить в нужное нам место, просто приложив к нужному нам месту противоположный заряд. То есть представим что наши ионы обладают положительным зарядом, мы к нашему чипу прикладываем отрицательное напряжение и ионы летят в него. Более того мы можем регулировать с какой силой ионы бьют по поверхности нашего будущего чипа! Подаем больше напряжения — ионы летят быстрее.

Это и есть та самая ковровая бомбардировка, ведь ионы наши относительно тяжелые и если подать достаточное напряжение, то они врезаются в поверхность материала как бомбы в землю, и просто разносят всю его поверхность! Это процесс, кстати, так и называется — ионная бомбардировка поверхности.

Это физическая составляющая процесса плазмохимического травления материала. Но есть и вторая — химическая.

Как я уже говорил, наши ионы очень активны и если правильно подобрать газ, из которого сделана наша плазма, то ионы будут химически реагировать с материалом чипа и просто образовывать новые соединения, которые будут просто улетать!

Например, при травлении Кремния или Нитрида Галлия, про которые мы вам недавно рассказывали, применяют плазму из гексафторида серы, в смеси с аргоном, или кислородом!

При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые мы хотим сохранить, мы можем покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят!

Вот так путем игры с разными параметрами в процессе травления можно получать идеально гладкие, вертикальные отверстия абсолютно любой формы и глубины.

И более того травление можно осуществлять одновременно по всей поверхности огромной пластины кремния!

Осаждение

С траншеями для нашего дома, ой то есть транзистора, мы разобрались.  Теперь надо в них залить наш фундамент, сделать стены и проложить коммуникации.

Для этого надо осадить различные материалы — это могут быть как металлы, например, медь для контактов транзистора или диэлектрики для изоляции в тех местах, где нам надо.

Ну или например нам надо осадить другой тип полупроводника на чип, как нам это нужно делать, например, в новых LTPO экранах, где используются транзисторы на основе поликристаллического кремния и соседний транзистор на основе оксида индия цинка и галлия!

В принципе, методов осаждения целая куча! Мы же расскажем вам о двух основных и начнем с самого взрывного.

Представьте, что вам надо нанести куда-то очень тонкий слой Вольфрама. Просто отрезать и приклеить точно не получится — я напоминаю что мы тут говорим контактах в несколько единиц нанометров. Как это сделать?

И тут, вы удивитесь, но принцип несильно отличается от того, когда вы наливаете холодное пиво в бокал в теплый летний день. Ведь на холодном бокале тут же начинают образовываться капельки воды: эти капельки — конденсат пара из воздуха. Вот с Вольфрамом надо сделать точно так же.

Но только тут есть одна проблема — если для того, чтобы образовался водяной пар нужно 100 градусов, то у вольфрама температура парообразования составляет почти 6000 градусов! Пока его так разогреешь, все вокруг уже расплавится. Как же его испарить вообще?

Для этого надо прибегнуть к так называемым электронно-лучевым технологиям, а по факту используют сфокусированный в одну точку луч электронов с очень большими энергиями!

А источником такого луча зачастую тоже является вольфрамовая нить, прям как в старых лампах накаливания, только тут она сильно толще. На эту нить подается ток, и она начинает во все стороны испускать электроны. Часть из них ускоряют до нескольких тысяч вольт и фокусируют в единую точку на поверхности того материала, который мы хотим испарить, в данном случае на Вольфраме.

Думали ли вы, что с помощью лампочки Ильича можно делать процессоры для современных iPhone?

Так вот эта точка может разогреваться до безумных температур! Таких высоких, что даже Вольфрам, который является самым тугоплавким металлом в мире, превращается в пар. Фактически локально формируется маленькую лужа Вольфрама и часть этой лужи и испаряют.

Этот пар летит и конденсируется на любой холодной поверхности, в частности на нашем чипе, где он осаждается, формируя необходимые нам контакты для наших транзисторов!

Но это опять же физические процесс, а есть и химические, когда, как в случае с травлением, на поверхности нашего материала, в нужных местах происходят специальные химические реакции.

Хорошим примером такого процесса является так называемое химическое осаждение из газовой фазы. Она активно применяется не только для производства процессоров, но и для создания органических светодиодов для гибких OLED-экранов!

Кстати, CVD — Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение пара) — это один из методов выращивания искусственного алмаза, которые потом применяют, например, для алмазных резаков!

При чем самое крутое, что все эти процессы, как осаждения, так и травления, можно проводить для нескольких пластин одновременно, на каждой из которых сотни, а то и тысячи процессоров! Если бы не эта возможность, то каждый процессор стоил бы просто баснословных денег!

Выводы

Конечно, здесь мы перечислили только самые базовые процессы, но даже они дают понимание о том, какие невероятные технологические решения стоят за производством того, чем мы пользуемся каждый день.

А ведь есть и другие потрясающие процессы на современных производствах. Например, атомно-слоевое осаждение, которое позволяет получить идеальные пленки с возможностью контроля толщины до одного атома, или процессы ионной имплантации.

Стоит также сказать, что для процессов, о которых мы сегодня вам рассказали, надо зачастую сначала  создавать очень глубокий вакуум в установках, иногда даже больше, чем в космосе, однако это тема для отдельного материала! В общем, вы поняли — нам есть что вам рассказать интересного! Мы готовим вам целую серию материалов.

Кстати, автор сценария этого ролика Глеб Янкевич со своими коллегами тоже занимается травлением. Если интересно, почитать их последнюю статью о травлении карбида кремния в Nature Scientific Reports.

Транзистор простыми словами, принцип работы и устройство

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

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

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.

В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).

Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Классификация биполярных транзисторов.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Что значит слово «транзистор» и как это связано с его работой?

Слово «транзистор» происходит от двух английских слов — «transfer» (переносить) и «resistor» (сопротивление). Что можно буквально перевести, как «переходное сопротивление». Однако, лучше всего для описания работы этого прибора, подойдет название «переменное сопротивление». Поскольку в электронной цепи, транзистор ведет себя именно как переменное сопротивление. Только если у таких переменных резисторов, как потенциометр и обычный выключатель, нужно менять сопротивление с помощью механического воздействия, то у транзистора его меняют посредством напряжения, которое подается на один из электродов прибора.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

• Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
• Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
• Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Будет интересно➡ Что такое динистор?

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• со встроенным каналом.
• с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

• Входное сопротивление.
• Амплитуда напряжения.
• Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

• полевые;
• биполярные;
• комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы

Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

• биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
• комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Принцип работы прибора

Транзистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического сигнала. Благодаря особому строению кристаллических решёток и полупроводниковым свойствам, этот прибор способен увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники — вещества, которые способны проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Самыми яркими их представителями являются кремний и германий. Существует два вида полупроводников:

1. Электронные.
2. Дырочные.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или переизбытка свободных электронов. Например, кристаллическая решётка атома состоит из трёх электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырёх электронов, один будет лишним. Он является свободным электроном. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. А значит, и проводимость тока больше. Такие полупроводники называются электронными.

Теперь поговорим о дырочных. Для их создания в вещество вводятся атомы другого вещества, кристаллическая решётка которого содержит больше атомов. Соответственно, в нашем полупроводнике становится меньше электронов. Образуются вакантные места для электронов. Валентные связи будут разрушаться, так как электроны будут стремиться занять эти вакантные места. Далее, мы будем называть их дырками.

Электроны постоянно стремятся занять дырку и, начиная движение, образуют новую дырку. Таким поведением обладают абсолютно все электроны. В полупроводнике происходит их движение, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы способствуем их движению. Получается ток. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определённому принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

• Усилительные схемы.
• Генераторы сигналов.
• Электронные ключи.

Будет интересно➡ Как работает диод с барьером Шоттки

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Эволюция транзистора

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

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

Чем транзисторы уступают лампам

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

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

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

Post Views: 389

PNP-транзистор

Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.

Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.

Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.

Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.

Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно большая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.

Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем большее пробивное напряжение (Uпроб.КЭ > Uпроб.ЭБ). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.

Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.

Двухполярные транзисторы

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым. Например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Мы рассмотрели здесь только несколько видов транзисторов, и это лишь мизерная часть из обилия моделей электронных компонентов, представленных на рынке сегодня.

Так или иначе, вы с легкостью сможете подобрать подходящий транзистор для своих целей. Документация на них доступна сегодня в сети в виде даташитов, в которых исчерпывающе представлены все характеристики. Типы корпусов современных транзисторов различны, и для одной и той же модели зачастую доступны как SMD исполнение, так и выводное.

NPN-транзистор

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Тогда база делается из материала P-типа. И в этом случае, транзистор npn работает точно, как pnp, за исключением полярности – это транзистор обратной проводимости. Транзисторы на основе кремния подавляют своим числом все остальные типы биполярных транзисторов.

Будет интересно➡ Виды и устройство оптронов (оптопар)

Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий “лишний” электрон. Также изменилась технология изготовления транзисторов. Сейчас они планарные, что дает возможность использовать литографию и делать интегральные схемы. По планарной технологии изготавливаются как pnp, так и npn-транзисторы, в том числе и мощные. Сплавные уже сняты с производства.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U2 равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.

Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.

Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.

Общая база

Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др. , являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT – величина термодинамического напряжения, Nn и Np – концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ß*IБ, где ß – коэффициент усиления по току, IБ – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

• высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
• низкие показатели усиления по мощности;
• инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• большое входное и незначительное выходное сопротивление;
• низкий коэффициент напряжения по усилению (< 1).

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистора		Группы транзисторов		Месяц выпуска		Год выпуска
Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка
ян в.	бежевая
А	розовая	фев.	синяя	1977	бежевая
Б	желтая	март	зеленая	1978	еалатовая
В	синяя	апр.	красная	1979	оранжевая
Г	бежевая	май	еалатовая	1980	электрик
Д	оранжевая	июнь	серая	1981	бирюзовая
КТ3107	голубая	Е	электрик	июль	коричневая	1982	белая
Ж	еалатовая	авг.	оранжевая	1983	красная
И	зеленая	сент.	электрик	1984	коричневая
К	красная	окт.	белая	1985	зеленая
Л	серая	ноябр.	желтая	1986	голубая
декаб.	голубая

Таблица 2. Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3. Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

Код	Тип
4	КТ814
5	КТ815
6	КТ816
7	КТ817
8	КТ683
9	КТ9115
12	К. У112
40	КТ940

Год выпуска	Код	Месяц выпуска	Код
1986	и	Январь	1
1987	V	Февраль	2
1988	W	Март	3
1989	X	Апрель	4
1990	А	Май	5
1991	В	Июнь	6
1992	С	Июль	7
1993	D	Август	8
1994	Е	Сентябрь	9
1995	F	Октябрь	0
1996	Н	Ноябрь	N
1997	1	Декабрь	D
1998	К	—	—
1999	L	—	—
2000	М	—	—

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

• Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
• Неплохая температура и частота триода;
• Допустимое напряжение весьма большое;
• Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

• Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
• Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
• Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

• Низкие показатели электронапряжения по усилению;
• Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода
Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Читаем электрические схемы с транзистором

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно, мощность свечения самой лампы.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы Iб . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания. В ней будет протекать ток коллектора Iк.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток Iб , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки

Базовая электроника — транзисторы — CoderLessons.com

Получив хорошие знания о работе диода, который представляет собой одиночный PN-переход, давайте попробуем соединить два PN-перехода, которые образуют новый компонент под названием Transistor . Транзистор – это трехполюсное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для сигналов.

Зачем нам нужны транзисторы?

Предположим, что у вас есть FM-приемник, который захватывает нужный вам сигнал. Полученный сигнал, очевидно, будет слабым из-за помех, с которыми он столкнется во время своего путешествия. Теперь, если этот сигнал читается как есть, вы не можете получить достоверный вывод. Следовательно, нам нужно усилить сигнал. Усиление означает увеличение силы сигнала.

Это всего лишь пример. Усиление необходимо везде, где необходимо увеличить мощность сигнала. Это сделано транзистором. Транзистор также действует как переключатель для выбора между доступными опциями. Он также регулирует входящий ток и напряжение сигналов.

Конструктивные детали транзистора

Транзистор представляет собой трехполюсное твердотельное устройство, которое формируется путем подключения двух диодов друг к другу. Следовательно, у него есть два PN перехода . Три клеммы вытянуты из трех полупроводниковых материалов, присутствующих в нем. Этот тип подключения предлагает два типа транзисторов. Это PNP и NPN, что означает материал N-типа между двумя P-типами, а другой материал типа P между двумя N-типами соответственно.

Конструкция транзисторов показана на следующем рисунке, который объясняет идею, рассмотренную выше.

Три клеммы, взятые из транзистора, обозначают клеммы эмиттера, базы и коллектора. Они имеют свою функциональность, как описано ниже.

эмиттер

• Левая сторона показанной выше конструкции может пониматься как излучатель .

• Он имеет умеренный размер и сильно легирован, так как его основной функцией является обеспечение ряда основных носителей , то есть электронов или дырок.

• Поскольку это испускает электроны, это называется Эмиттером.

• Это просто обозначено буквой Е.

Левая сторона показанной выше конструкции может пониматься как излучатель .

Он имеет умеренный размер и сильно легирован, так как его основной функцией является обеспечение ряда основных носителей , то есть электронов или дырок.

Поскольку это испускает электроны, это называется Эмиттером.

Это просто обозначено буквой Е.

База

• Средний материал на рисунке выше – Основа .

• Это тонкий и слегка легированный .

• Его основная функция заключается в передаче большинства носителей от эмиттера к коллектору.

• Это обозначено буквой B.

Средний материал на рисунке выше – Основа .

Это тонкий и слегка легированный .

Его основная функция заключается в передаче большинства носителей от эмиттера к коллектору.

Это обозначено буквой B.

Коллектор

• Материал с правой стороны на приведенном выше рисунке можно понимать как коллектор .

• Его название подразумевает его функцию сбора носителей .

• Это немного больше по размеру, чем излучатель и база. Это умеренно легированный .

• На это указывает буква C.

Материал с правой стороны на приведенном выше рисунке можно понимать как коллектор .

Его название подразумевает его функцию сбора носителей .

Это немного больше по размеру, чем излучатель и база. Это умеренно легированный .

На это указывает буква C.

Символы транзисторов PNP и NPN показаны ниже.

Стрелка на приведенных выше рисунках обозначала эмиттер транзистора. Поскольку коллектор транзистора должен рассеивать гораздо большую мощность, он становится большим. Благодаря специфическим функциям излучателя и коллектора они не являются взаимозаменяемыми . Следовательно, клеммы всегда следует учитывать при использовании транзистора.

В практическом транзисторе рядом с выводом эмиттера имеется выемка для идентификации. Транзисторы PNP и NPN можно дифференцировать с помощью мультиметра. На следующем рисунке показано, как выглядят разные практические транзисторы.

До сих пор мы обсуждали конструктивные детали транзистора, но чтобы понять работу транзистора, сначала нам нужно знать о смещении.

Транзистор смещения

Поскольку мы знаем, что транзистор представляет собой комбинацию из двух диодов, у нас есть два перехода здесь. Так как одно соединение находится между эмиттером и основанием, которое называется соединением эмиттер -база, и аналогично, другое соединение коллектор-база .

Смещение контролирует работу схемы, обеспечивая источник питания. Функция обоих PN-переходов контролируется путем обеспечения смещения цепи через некоторый источник постоянного тока. На рисунке ниже показано, как смещен транзистор.

Посмотрев на рисунок выше, мы понимаем, что

• Материал N-типа снабжен отрицательной подачей, а материал Р-типа снабжен положительной подачей для замыкания в прямом направлении .

• Материал N-типа имеет положительную подачу, а материал P-типа имеет отрицательную подачу для создания обратного смещения цепи.

Материал N-типа снабжен отрицательной подачей, а материал Р-типа снабжен положительной подачей для замыкания в прямом направлении .

Материал N-типа имеет положительную подачу, а материал P-типа имеет отрицательную подачу для создания обратного смещения цепи.

При подаче питания базовое соединение эмиттера всегда смещено вперед, так как сопротивление эмиттера очень мало. Основание коллектора коллектора имеет обратное смещение, и его сопротивление немного выше. Небольшого прямого смещения достаточно в соединении эмиттера, в то время как высокое обратное смещение должно быть применено в коллекторном соединении.

Направление тока, указанное в схемах выше, также называемое условным током, представляет собой движение тока дырок, противоположное току электронов .

Операция PNP Транзистор

Работу PNP-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующий рисунок, на котором соединение эмиттер-база смещено вперед, а соединение коллектор-база смещено обратно.

Напряжение V _EE обеспечивает положительный потенциал на эмиттере, который отталкивает отверстия в материале P-типа, и эти отверстия пересекают соединение эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент дырок рекомбинирует со свободными электронами N-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I _B. Оставшиеся отверстия пересекают переход коллектор-основание, образуя ток коллектора I _C , который является током отверстия.

Когда отверстие достигает клеммы коллектора, электрон от отрицательной клеммы аккумулятора заполняет пространство в коллекторе. Этот поток медленно увеличивается, и меньший ток электрона течет через эмиттер, где каждый электрон, попадающий на положительную клемму V _EE , заменяется отверстием, перемещаясь в направлении соединения эмиттера. Это составляет ток эмиттера I _E.

Следовательно, мы можем понять, что –

• Проводимость в транзисторе PNP проходит через отверстия.
• Ток коллектора немного меньше тока эмиттера.
• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Операция NPN Транзистор

Работу NPN-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующую фигуру, на которой соединение эмиттер-база смещено вперед, а соединение коллектор-база смещено обратно.

Напряжение V _EE обеспечивает отрицательный потенциал на эмиттере, который отталкивает электроны в материале N-типа, и эти электроны пересекают переход эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент электронов рекомбинирует со свободными дырками P-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I _B. Оставшиеся отверстия пересекают коллектор-основание, образуя ток коллектора I _C.

Когда электрон выходит из коллектора и входит в положительную клемму батареи, электрон от отрицательной клеммы батареи V _EE входит в область эмиттера. Этот поток медленно увеличивается, и электрический ток течет через транзистор.

Следовательно, мы можем понять, что –

• Проводимость в NPN-транзисторе происходит через электроны.
• Ток коллектора выше, чем ток эмиттера.
• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

преимущества

Есть много преимуществ транзистора, таких как –

• Усиление высокого напряжения.
• Более низкое напряжение питания достаточно.
• Наиболее подходит для приложений с низким энергопотреблением.
• Меньше и легче по весу.
• Механически прочнее, чем вакуумные трубки.
• Не требуется внешний нагрев, как вакуумные трубки.
• Очень подходит для интеграции с резисторами и диодами для производства интегральных схем.

Есть несколько недостатков, таких как они не могут быть использованы для приложений с высокой мощностью из-за более низкого рассеивания мощности. Они имеют более низкий входной импеданс и зависят от температуры.

Как устроены ЦП. Часть 3: Сборка микросхемы

Это третья часть нашей серии по проектированию ЦП. В части 1 мы рассмотрели архитектуру компьютера и принцип работы процессора на высоком уровне. Во второй части было рассмотрено, как были спроектированы и реализованы некоторые отдельные компоненты чипа. Часть 3 идет еще дальше и показывает, как архитектурные и схематические проекты превращаются в физические микросхемы.

Как превратить кучу песка в продвинутый процессор? Давай выясним.

Часть 1. Основы компьютерной архитектуры
(архитектуры набора инструкций, кэширование, конвейеры, гиперпоточность)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП
(схемы, транзисторы, логические элементы, тактирование)
Часть 3. Планировка и физическая сборка микросхемы
(СБИС и производство кремния)
Часть 4: Текущие тенденции и будущие актуальные темы в компьютерной архитектуре
(Sea of ​​Accelerators, 3D-интеграция, FPGA, вычисления с ближней памятью)

Как мы обсуждали ранее, процессоры и вся остальная цифровая логика состоят из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электронным управлением, который мы можем включать и выключать, подавая или снимая напряжение с затвора. Мы обсудили, что существует два основных типа транзисторов: устройства nMOS, которые пропускают ток, когда затвор открыт, и устройства pMOS, которые пропускают ток, когда затвор закрыт. Базовой структурой процессора, в который встроены транзисторы, является кремний. Кремний известен как полупроводник , потому что он не полностью проводит или изолирует; это где-то посередине.

Чтобы превратить кремниевую пластину в полезную схему путем добавления транзисторов, инженеры-технологи используют процесс, называемый легированием . Процесс легирования включает добавление тщательно отобранных примесей к базовой кремниевой подложке для изменения ее проводимости. Цель здесь — изменить поведение электронов, чтобы мы могли ими управлять. Так же, как есть два типа транзисторов, есть два основных соответствующих типа легирования.

Процесс изготовления пластины перед упаковкой чипов. Фото: Эван Лиссус

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, таких как мышьяк, сурьма или фосфор, мы сможем создать область n-типа. Поскольку область кремния, на которую наносились эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она станет отрицательно заряженной. Вот откуда взялось название n-type и буква «n» в nMOS. Добавляя в кремний элементы-акцепторы электронов, такие как бор, индий или галлий, мы можем создать область p-типа, которая будет заряжена положительно. Вот откуда взялась буква «p» в словах p-type и pMOS. Конкретные процессы добавления этих примесей в кремний известны как Ion Implantation и Diffusion , и они немного выходят за рамки этой статьи.

Теперь, когда мы можем контролировать электропроводность определенных частей нашего кремния, мы можем комбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах, известные как МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе оксидов и полупроводников металлов), имеют четыре контакта. Ток, которым мы управляем, течет через Исток и Сток. В n-канальном устройстве он обычно поступает в сток и выходит из истока, в то время как в p-канальном устройстве он обычно проходит в исток и выходит из стока. Затвор — это переключатель, используемый для включения и выключения транзистора. Наконец, корпус устройства не имеет отношения к процессору, поэтому мы не будем его здесь обсуждать.

Физическая структура инвертора из кремния. Каждая окрашенная область имеет разные свойства проводимости. Обратите внимание, как различные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.

Технических подробностей о том, как работают транзисторы и как взаимодействуют различные области, достаточно, чтобы заполнить курс колледжа для выпускников, поэтому мы коснемся только основ. Хорошей аналогией того, как они работают, является подъемный мост через реку. Автомобили, электроны в нашем транзисторе, хотели бы перетекать с одного берега реки на другой, исток и сток нашего транзистора. Используя в качестве примера устройство nMOS, когда затвор не заряжен, разводной мост поднят, электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем подъемный мост, мы образуем дорогу через реку, и автомобили могут свободно двигаться. То же самое происходит и в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий течь току.

Чтобы иметь возможность точно контролировать, где находятся различные p- и n-области кремния, такие производители, как Intel и TSMC, используют процесс, называемый фотолитографией . Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс, и компании тратят миллиарды долларов на его совершенствование, чтобы иметь возможность создавать меньшие по размеру, более быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте себе сверхточный принтер, который можно использовать для рисования шаблонов для каждой области на кремнии.

Процесс сборки транзисторов в микросхему начинается с чистой кремниевой пластины. Затем его нагревают в печи, чтобы вырастить тонкий слой диоксида кремния на верхней части пластины. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста. Направляя свет определенной частоты на фоторезист, мы можем снять фоторезист в тех областях, которые хотим легировать. Это шаг литографии, и он похож на то, как принтеры наносят чернила на определенные области страницы, только в гораздо меньшем масштабе.

Пластину протравливают плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в месте удаления фоторезиста. Затем фоторезист удаляется, оставляя под ним только оксидный слой. Затем легирующие ионы могут быть нанесены на пластину, и они будут имплантироваться только там, где в оксиде есть промежутки.

Этот процесс маскирования, визуализации и легирования повторяется десятки раз для медленного создания каждого уровня характеристик в полупроводнике. После того, как базовый уровень кремния будет готов, сверху будут изготовлены металлические соединения для соединения различных транзисторов. Чуть позже мы подробнее расскажем об этих соединениях и металлических слоях.

Конечно, производители чипов не просто изготавливают транзисторы по одному. При разработке нового чипа они будут генерировать маски для каждого этапа производственного процесса. Эти маски будут содержать расположение каждого элемента из миллиардов транзисторов на кристалле. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются одновременно на одном кристалле.

После изготовления пластины отдельные матрицы нарезаются и упаковываются. В зависимости от размера чипа, каждая пластина может вмещать сотни и более чипов. Как правило, чем мощнее производимый чип, тем больше будет кристалл и тем меньше чипов производитель сможет получить с каждой пластины.

Легко думать, что мы должны просто делать массивные чипы, которые будут супермощными и с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым большим фактором, мешающим нам производить чипы все большего и большего размера, являются дефекты производственного процесса. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов, и если хотя бы одна часть одного из них выйдет из строя, придется выбросить весь чип. По мере того, как мы увеличиваем размер процессоров, увеличивается вероятность того, что чип окажется неисправным.

Фактическая прибыль, которую компании получают от своих производственных процессов, держится в строжайшем секрете, но примерно от 70% до 90% является хорошей оценкой. Компании часто перепроектируют свои чипы с дополнительной функциональностью, поскольку они знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может разработать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный чип, поскольку, по их оценкам, одно или два ядра могут выйти из строя. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене в процессе, известном как 9.0016 биннинг .

Одним из наиболее важных маркетинговых терминов, связанных с производством микросхем, является размер элемента. Например, Intel работает над 10-нм техпроцессом, AMD использует 7-нм техпроцесс для некоторых графических процессоров, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом. Что же означают все эти цифры? Традиционно размер элемента представляет собой минимальную ширину между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы смогли уменьшить наши транзисторы, чтобы иметь возможность помещать все больше и больше на один чип. По мере того, как транзисторы становятся меньше, они также становятся все быстрее и быстрее.

Глядя на эти цифры, важно отметить, что некоторые компании могут основывать свой размер процесса на размерах, отличных от стандартной ширины. Это означает, что процессы разного размера в разных компаниях могут фактически привести к созданию транзистора одного размера. С другой стороны, не все транзисторы в данном процессе также имеют одинаковый размер. Разработчики могут решить сделать одни транзисторы больше, чем другие, исходя из определенных компромиссов. Для данного процесса проектирования транзистор меньшего размера будет быстрее, поскольку для зарядки и разрядки затвора требуется меньше времени. Однако транзисторы меньшего размера могут управлять только очень небольшим количеством выходов. Если определенный элемент логики будет управлять чем-то, что требует большой мощности, например выходным контактом, его нужно будет сделать намного больше. Эти выходные транзисторы могут быть на несколько порядков больше внутренних логических транзисторов.

Снимок последнего процессора AMD Zen. Несколько миллиардов транзисторов составляют эту конструкцию.

Разработка и изготовление транзисторов — это только половина дела. Нам нужно построить провода, чтобы соединить все в соответствии со схемой. Эти соединения выполнены с использованием металлических слоев над транзисторами. Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, съездами и разными дорогами, пересекающимися друг с другом. Именно это и происходит внутри чипа, хотя и в гораздо меньших масштабах. Различные процессы будут иметь разное количество металлических слоев межсоединения над транзисторами. По мере того, как транзисторы становятся меньше, требуется больше металлических слоев, чтобы иметь возможность направлять все сигналы. Предстоящий 5-нм техпроцесс TMSC включает 15 металлических слоев. Представьте себе 15-уровневую вертикальную транспортную развязку, и вы поймете, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

Изображение под микроскопом ниже показывает решетку, образованную семью металлическими слоями. Каждый слой плоский, и по мере того, как они поднимаются выше, слои становятся больше, чтобы уменьшить сопротивление. Между каждым слоем находятся небольшие металлические цилиндры, известные как сквозные отверстия, которые используются для перехода на более высокий уровень. Каждый слой обычно чередуется в направлении от слоя под ним, чтобы помочь уменьшить нежелательные емкости. Нечетные металлические слои могут использоваться для выполнения горизонтальных соединений, а четные слои могут использоваться для выполнения вертикальных соединений.

Как вы понимаете, всеми этими сигналами и металлическими слоями очень быстро становится невероятно трудно управлять. Чтобы помочь решить эту проблему, используются компьютерные программы для автоматического размещения и разводки транзисторов. В зависимости от того, насколько продвинута конструкция, программы могут даже переводить функции высокоуровневого кода C в физическое расположение каждого провода и транзистора. Как правило, производители чипов позволяют компьютерам автоматически генерировать большую часть проекта, а затем они проходят и оптимизируют определенные критические участки вручную.

Когда компании хотят построить новый чип, они начинают его разработку со стандартных ячеек, которые предоставляет компания-производитель. Например, Intel или TSMC предоставят разработчикам базовые компоненты, такие как логические вентили или ячейки памяти. Затем дизайнеры могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который они хотят построить. Затем они пришлют литейный цех, место, где необработанный кремний превращается в работающие чипы, макеты транзисторов чипа и металлических слоев. Эти макеты превращаются в маски, которые используются в процессе изготовления, о котором мы говорили выше. Далее мы увидим, как этот процесс проектирования может выглядеть для чрезвычайно простого чипа.

Сначала мы видим макет инвертора, который представляет собой стандартную ячейку. Перечеркнутый зеленый прямоугольник вверху — pMOS-транзистор, а прозрачный зеленый прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный провод — это поликремниевый затвор, синие области — металл 1, а фиолетовые — металл 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металле 2.

 

Объединяя несколько вентилей, мы получаем базовую 1-битную арифметическую единицу. Этот дизайн может складывать, вычитать и выполнять логические операции на двух 1-битных входах. Перечеркнутые синие провода, идущие вертикально, представляют собой металлические 3 слоя. Квадраты чуть большего размера на концах проводов — переходные отверстия, соединяющие два слоя.

Наконец, собрав множество ячеек и около 2000 транзисторов, мы получили базовый 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырех металлических слоях. Глядя на то, насколько это сложно, можно только представить сложность разработки 64-битного процессора с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и более чем 20 стадиями конвейера. Учитывая, что современные высокопроизводительные процессоры могут иметь от 5 до 10 миллиардов транзисторов и дюжину металлических слоев, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее этого.

Это должно дать вам понимание того, почему ваш новый ЦП был дорогостоящим технологическим продуктом или почему у AMD и Intel так много времени уходит на выпуск продукции. Обычно требуется от 3 до 5 лет, чтобы новый чип прошел путь от чертежной доски до рынка. Это означает, что сегодня самые быстрые чипы изготавливаются по технологии, которой несколько лет, и что мы не увидим чипов с современными технологиями производства еще много лет.

На этом мы закончили наше глубокое изучение того, как создаются процессоры.

В четвертой и последней части серии мы вернемся из физического мира и посмотрим на текущие тенденции в отрасли. Над чем сейчас работают исследователи, чтобы сделать следующее поколение компьютеров еще быстрее?

Часть 1. Основы компьютерной архитектуры
(архитектуры набора инструкций, кэширование, конвейеры, гиперпоточность)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП
(схемы, транзисторы, логические элементы, тактирование)
Часть 3. Планировка и физическая сборка микросхемы
(СБИС и производство кремния)
Часть 4: Текущие тенденции и будущие актуальные темы в компьютерной архитектуре
(Sea of ​​Accelerators, 3D-интеграция, FPGA, вычисления с ближней памятью)

В третьей части серии мы исследовали физику работы транзисторов, как их отдельные компоненты встроены в кремний и как они соединяются для создания полезных схемы и микросхемы.

Заголовок: Изображение производства полупроводников от Macro

Что значит иметь 60 миллиардов транзисторов в компьютерном чипе? — Никлас Розенберг

15 июля 2020 г.

Сегодня я прочитал, что Graphcore, производитель микросхем искусственного интеллекта из Великобритании, представила новый компьютерный чип, который объединяет 60 миллиардов транзисторов и почти 1500 процессорных блоков на одной кремниевой пластине. Этот «стартап» из Бристоля, основанный в 2016 году и сейчас оцениваемый в 2 миллиарда долларов, бросает вызов Nvidia с новым чипом, разработанным специально для работы с передовыми алгоритмами искусственного интеллекта.

Каким бы большим или маленьким ни был компьютерный чип в реальных физических размерах, 60 миллиардов транзисторов — это много. И это. Но что означает это ошеломляющее количество транзисторов на практике?

Прежде всего, следует помнить, что, несмотря на экспоненциальный рост вычислительной мощности, базовая архитектура компьютерных микросхем, таких как центральные процессоры (ЦП), не сильно изменилась за последние 65 лет. Другими словами, форма, конструкция и реализация чипов со временем менялись, но принцип их работы остается почти неизменным. Это будет продолжаться до тех пор, пока мы не примем новую архитектуру процессора, например, с помощью квантовых процессоров.

«Традиционный» процессор — это просто «электронная схема внутри компьютера, которая выполняет инструкции, составляющие компьютерную программу», а традиционные вычисления основаны на нулях и единицах. Транзисторы необходимы в процессорах, потому что они работают как переключатели. Чип может содержать сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может включаться и выключаться по отдельности. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.

Основное правило состоит в том, что с большим количеством транзисторов процессор может выполнять все более сложные инструкции, чем раньше. Это, в свою очередь, приводит к нескольким преимуществам, таким как более высокая скорость обработки и увеличенный объем памяти.

Многие знакомы с законом Мура, который часто можно услышать в его упрощенной версии, т. е. о том, что скорость процессора или общая вычислительная мощность компьютеров удваивается каждые два года. На самом деле закон Мура — это наблюдение, согласно которому количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС или «чипе») удваивается примерно каждые два года. Вот что говорит об этом Википедия:

Наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor, генерального директора и соучредителя Intel, который в 1965 году заявил об удвоении количества компонентов на интегральную схему каждый год и спрогнозировал этот темп роста. будет продолжаться, по крайней мере, еще одно десятилетие. В 1975 году, предвкушая следующее десятилетие, он пересмотрел прогноз, удваивая каждые два года, что составляет совокупный годовой темп роста (CAGR) 40%. Хотя Мур не использовал эмпирические данные для прогнозирования сохранения исторической тенденции, его прогноз оставался в силе с 19 века.75 и с тех пор стал известен как «закон».

Давайте посмотрим, как изменялось количество транзисторов в процессорах вплоть до 2019 года. в 2006 году — и теперь мы действительно упаковываем 60 миллиардов транзисторов в чип.

Полулогарифмический график количества транзисторов для микропроцессоров в зависимости от дат выпуска, почти удваиваясь каждые два года. Изображение Макса Розера, лицензия CC BY-SA 4.0.

Кажется очевидным, что в какой-то момент мы столкнемся с физическими ограничениями, когда дело доходит до масштабирования транзисторов, несмотря на все наши усилия по созданию новых методов еще более плотной упаковки элементов на кремниевой пластине. На самом деле, разработчики процессоров еще 10 лет назад сообщали, что продвижение полупроводников в отрасли замедлилось ниже темпов, предсказываемых законом Мура. Брайан Кржанич, бывший генеральный директор Intel, также отметил, что «наша каденция сегодня ближе к двум с половиной годам, чем к двум».

Итак, что вы можете сделать с 60 миллиардами транзисторов, упакованных в новый чип Graphcore, который они изобретательно называют «интеллектуальным процессором» (IPU)? Короткий ответ: вы можете выполнять еще более продвинутые алгоритмы глубокого обучения и быстрее, чем раньше. Согласно статье о Graphcore:

Второе поколение чипов ИИ разработано специально для работы с очень большими моделями машинного обучения, которые используются для прорывов в обработке изображений, обработке естественного языка и других областях. Например, новейшая языковая модель OpenAI, разработанная исследовательской компанией в области искусственного интеллекта из Сан-Франциско, под названием GPT-3, принимает 175 миллиардов различных переменных.

Graphcore также сообщила, что в тестовых тестах ее новые чипы работали до 16 раз быстрее, чем у Nvidia, чьи графические процессоры (GPU) широко используются в решениях искусственного интеллекта и машинного обучения (ML). Графические процессоры оказались превосходными для обучения моделей глубокого обучения, и большая часть прогресса, достигнутого нами в области искусственного интеллекта и машинного обучения за последние 10 лет, была достигнута благодаря более дешевым и быстрым чипам от Nvidia и других компаний.

Будет интересно посмотреть, какую магию машинного обучения люди смогут делать с этими новыми чипами Graphcore. Также следует задаться вопросом, сколько времени потребуется, прежде чем мы сможем упаковать 120 миллиардов транзисторов в чип. Может быть, нам придется ждать дольше, чем те два с половиной года, о которых говорил Кржанич.

В области технологий Теги Graphcore, Chip, Transistor, Processor, CPU, GPU, IPU, Nvidia, закон Мура, Inte, Silicon, Computation

Что такое процессорный транзистор? (с картинками)

`;

Аллан Робинсон

Дата последнего изменения: 27 августа 2022 г.

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое переключает и усиливает электронные сигналы. Он имеет как минимум три клеммы, которые соединяют его с электронной схемой. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов и быстро заменил электронные лампы в электронных устройствах. Эти устройства в настоящее время являются важным компонентом почти всех электронных устройств, таких как центральный процессор (ЦП) компьютера. Транзистор ЦП обычно является частью интегральной схемы, хотя его также можно приобрести отдельно.

Центральный процессор (CPU).

Выводы в транзисторе ЦП имеют определенные названия в зависимости от типа транзистора. Выводы простого биполярного транзистора называются коллектором, эмиттером и базой. Ток или напряжение, подаваемое на базу, влияет на ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Процессор.

Напряжение на базе транзистора можно использовать для включения и выключения тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. Этот тип транзистора является переключателем и является распространенным типом транзистора ЦП, называемым логическим вентилем. Переключатель обычно не пропускает через себя ток, если напряжение на базе не превышает минимального порога. Напряжение на базе контролируется другими компонентами в цепи.

Транзистор процессора также может быть усилителем. Этот тип транзистора использует напряжение на базе для управления величиной тока, протекающего через усилитель. Это означает, что небольшое изменение напряжения на базе может привести к большой разности напряжений между коллектором и эмиттером.

Транзисторы обеспечивают значительные преимущества перед электронными лампами в компьютерах. Транзистор ЦП намного меньше своего эквивалента на электронной лампе, что позволяет миниатюризировать компьютеры. Производство транзисторов может быть автоматизировано в большей степени, чем производство электронных ламп, а это означает, что транзисторы дешевле электронных ламп.

Первый патент на транзистор был подан Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году, хотя на самом деле он не конструировал такое устройство. Герберт Матаре обнаружил полупроводниковые эффекты, работая над доплеровской радиолокационной системой в 1942 году. Затем технологии развивались, и в 1947 году, работая в Bell Labs компании AT&T, Уолтер Браттейн и Джон Бардин обнаружили, что кристалл германия может усиливать электрический ток. Гордон Тил построил первый кремниевый транзистор для Texas Instruments в 1954 году, а транзистор ЦП, представляющий собой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (МОП-транзистор), был впервые изготовлен в Bell Labs в 1919 году.60.

Транзисторы центрального процессора являются важным компонентом компьютеров.

Вам также может понравиться

Рекомендуется

Как работает процессор? Посмотрите на транзисторы, перемещающие данные в процессоре

аппаратное обеспечение

Они являются сердцем каждого персонального компьютера, сервера, планшета или смартфона. Технологические чудеса, которые даже большинство ИТ-специалистов понимают лишь в очень общих чертах. Процессоры.

• ЙИРЖИ ХАНАК

• 29.02.2016
• 5 минут чтения

Считаете ли вы, что понимание деталей архитектуры ЦП лучше доверить экспертам? Теперь каждый может попытаться добраться до них. Никогда еще не было так легко получить представление о том, как на самом деле работают процессоры.

Небольшая группа добровольцев, называющих себя Visual6502, построила виртуальную модель старого процессора ARM1. Модель полностью функциональна.

Вы можете увидеть, как мельчайшие части процессора работают и взаимодействуют друг с другом, когда они выполняют код, прямо в окне вашего браузера. Вы можете увидеть, что именно делают внутренности ЦП, когда они выполняют низкоуровневые команды, такие как CMP или MOV.

ARM1 был выбран потому, что он занимает заслуженное место в истории вычислений. Это был предшественник современных архитектур ARM, которые доминируют в сегодняшнем ландшафте мобильных процессоров.

Виртуальная модель процессора также стала подарком на день рождения одноименному производителю ARM. Недавно компания ARM отметила свое 25 9-летие.0205 года  года рождения.

Как взаимодействуют между собой отдельные части процессора? Через что проходят данные при их обработке? Ответы на эти вопросы теперь легко доступны. По крайней мере, для этого старого процессора.

Виртуальная модель ARM1 очень интересна многим экспертам, поскольку это один из прародителей процессоров, на которых работает большинство современных планшетов, смартфонов и других мобильных устройств. И они даже пытаются брать серверы. (ARM вполне подходит для всех этих задач — несмотря на свою мощность, он имеет очень низкое энергопотребление и, следовательно, низкую теплоотдачу.) Производитель ARM предоставил группе добровольцев исходную документацию по архитектуре, чтобы модель могла быть совершенным.

Результатом является работающая модель транзисторного уровня, которая позволяет вам видеть отдельные компоненты и их связь по мере того, как модель шагает по коду.

Но увидеть архитектуру ARM1 в действии — интересный опыт даже для неспециалиста. Вид рядов и рядов взаимодействующих компонентов заставляет восхищаться сложностью этого изобретения и людьми, которые его построили.

Все, что вам нужно, чтобы увидеть симуляцию процессора, – это обычный браузер.

Крошечный процессор, встречайте горячую кислоту. Пришло время сделать несколько снимков

Виртуальная модель ARM1 — это третий подобный проект, над которым работала группа Visual6502. Ранее они создали модели двух других процессоров — 6800 и MOS 6502, которые и дали группе название.

В то время как воссоздание ARM1 было — благодаря первоначальным планам, предоставленным производителем — более или менее простым проектом, создание предыдущих симуляций было намного сложнее.

Еще в 2009 году, когда трое ИТ-специалистов впервые приступили к картированию исторически важного процессора MOS 6502 производства MOS Technologies, полных планов не было. Все конструкции чипов семидесятых годов записывались только на бумаге. И ни один не продержался так долго.

Люди, интересующиеся историей этого конкретного куска кремния, столкнулись с интересной проблемой. Набор инструкций ЦП был известен, но было неясно, как именно ЦП их выполняет. По сути, пока у людей еще были рабочие образцы микросхемы MOS 6502, никто не знал, что творится под капотом.

Археологам чипов пришлось идти наоборот – от работающего процессора к его планам. Они получили несколько хорошо сохранившихся процессоров и подвергли их тщательному анализу. Они вытравили защитный кожух процессора горячей кислотой, а затем сфотографировали кристалл чипа под микроскопом. Они произвели семьдесят два выстрела всех компонентов. Затем экспертам пришлось сшить изображения вместе в графическом редакторе, и вот оно, фото знаменитого процессора в большом разрешении.

Команда из трех человек решила пойти еще дальше. Они хотели создать полигональную модель, которую можно было бы использовать там, где простой фотографии недостаточно, например, в сложных симуляциях. Весь процесс преобразования должен был выполняться вручную, все, что им нужно было, это небольшая программа, написанная на Python. После нескольких часов напряженной работы они, наконец, построили собственный виртуальный процессор.

На их работу есть огромный спрос. Команда завалена запросами и предложениями по другим чипам, которые нужно сопоставить и превратить в виртуальные модели. Однако это очень трудная и мучительно медленная задача. Но даже несмотря на то, что этим экспертам не заплатили ни цента, они все еще усердно работают над сохранением архитектур процессоров ушедшей эпохи. После шести лет их усилий коллекция на их веб-сайте насчитывает несколько десятков штампов процессора. И три виртуальных модели — MOS 6502, Motorola 6800 и новейшая ARM1. Команда набирает силу и оказывает достойную услугу обществу, поэтому вполне возможно, что в конечном итоге они будут работать напрямую с музеями и другими учреждениями.

Líbil se vám článek? Ано / Не

Вас может заинтересовать

Почему закон Мура в беде?

Уже как минимум десять лет ходит много разговоров об отмене закона Мура и о том, какие последствия это будет иметь для современного общества.

С момента изобретения компьютерного транзистора в 1947 году количество транзисторов, встроенных в кремниевые микросхемы, питающие современный мир, неуклонно росла, что привело к экспоненциальному росту вычислительной мощности за последние 70 лет.

Транзистор — это физический объект, и, будучи чисто физическим, он подчиняется законам физики, как и любой другой физический объект. Это означает, что существует физический предел того, насколько маленьким может быть транзистор.

Когда Гордон Мур сделал свой знаменитый прогноз о темпах роста вычислительной мощности, никто не думал о транзисторах в нанометровом масштабе.

Но по мере того, как мы вступаем в третье десятилетие 21-го века, наша зависимость от упаковки большего количества транзисторов в то же количество кремния выходит за пределы того, что физически возможно, что заставляет многих беспокоиться о том, что темпы инноваций, которые мы Мы привыкли к тому, что в самом ближайшем будущем может прийти конец.

История транзистора

Копия первого транзистора, выставленного в Белом доме в 2000 году | Источник: Архивы Белого дома

Транзистор — это полупроводник, который обычно имеет не менее трех выводов, которые можно подключить к электрической цепи. Как правило, одна из клемм отвечает за управление протеканием тока через две другие клеммы, что позволяет быстро переключаться в цифровой схеме.

До появления транзистора такое быстрое переключение цепей осуществлялось с помощью термоэмиссионного клапана, широко известного как старая вакуумная лампа.

Эти ламповые триоды были значительно больше транзистора и требовали значительно большей мощности для работы. Они не являются «твердотельными» компонентами, в отличие от транзисторов, а это означает, что они могут выйти из строя при нормальной работе, потому что они зависят от движения электронов, протекающих внутри трубки, для проведения электронного тока.

Это означало, что электроника на электронных лампах большая, горячая и дорогая в эксплуатации, поскольку требует регулярного обслуживания для замены ламп, вышедших из строя по той или иной причине, что может привести к остановке всей электронной машины.

Транзистор был «изобретен» в Bell Labs компании AT&T Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном под руководством Уильяма Шокли. Хотя концепция транзистора существовала примерно за 20 лет до этого, работающая модель транзистора не была построена до тех пор, пока работа не была выполнена в Bell Labs. Шокли улучшился на 1947 с биполярным переходным транзистором в 1948 году, и именно эта реализация впервые пошла в массовое производство в 1950-х годах.

Следующий крупный скачок произошел с пассивацией поверхности кремния, что позволило кремнию заменить германий в качестве полупроводникового материала для транзисторов, а позже и для интегральных схем.

В ноябре 1959 года Мохамед Аталла и Давон Канг из Bell Labs изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), который потреблял значительно меньше энергии и был гораздо более масштабируемым, чем биполярные транзисторы Шокли.

Самые популярные

МОП-транзисторы по-прежнему являются доминирующими транзисторами, используемыми сегодня, и, как единое целое, являются наиболее производимыми устройствами в истории человечества. Поскольку полевые МОП-транзисторы можно было делать все меньше, все больше и больше транзисторов можно было изготавливать в виде интегральных схем, что позволяло выполнять все более сложные логические операции.

К 1973 году Уильям С. Хиттингер, исполнительный вице-президент по исследованиям и разработкам RCA, хвастался, что поместил «более 10 000 электронных компонентов на кремниевый «чип» толщиной всего в несколько миллиметров». Сегодняшняя плотность транзисторов намного превышает эти ранние достижения на порядки.

Гордон Мур непреднамеренно изобретает закон Мура

Гордон Мур в своей кабинке в здании Роберта Нойса в Санта-Кларе, Калифорния, 2013 год | Источник: Wikimedia Commons

Имя Гордона Мура не является нарицательным, но его творения есть почти в каждом доме и офисе в промышленно развитых странах. Хотя он впоследствии стал президентом корпорации Intel и, в конечном итоге, ее почетным председателем, Мур не пользовался таким уважением, когда в 1965 году описал то, что мы сейчас называем законом Мура. 0002 Мур работал инженером-электриком в отделе лаборатории полупроводников Шокли компании Beckman Instruments, который затем возглавлял сам Шокли. Когда несколько сотрудников Шокли, даже некоторые из его протеже, разочаровались в руководстве Шокли, они по собственной инициативе создали в 1957 году Fairchild Semiconductor, одну из самых влиятельных компаний в истории.

Как директор по исследованиям и разработкам Fairchild Semiconductor, Мур был естественным лицом, которое спрашивало о текущем состоянии отрасли, и поэтому в 1965 Журнал Electronics попросил Мура спрогнозировать, где полупроводниковая промышленность будет через десять лет. Глядя на уровень инноваций в Fairchild, Мур просто экстраполировал время вперед.

За несколько лет, прошедших с тех пор, как Fairchild начала производить полупроводники, стоимость производства компонентов снизилась, а размер самих компонентов уменьшился примерно наполовину каждый год. Это позволило Fairchild производить столько же интегральных схем каждый год, но с вдвое большим количеством транзисторов, чем годом ранее.

«Я не ожидал большой точности в этой оценке, — писал Мур в 1995 году. немного в долгосрочной перспективе».

«Я думаю, что это действительно выдающееся достижение для отрасли. Оставаться на таком экспоненциальном уровне в течение 35 лет, в то время как плотность увеличилась на несколько тысяч, действительно трудно предсказать с какой-либо уверенностью», — добавил Мур.

Прогноз Мура оставался более или менее стабильным в течение примерно десяти лет, после чего Мур пересмотрел свои оценки и стал удваивать плотность транзисторов каждые два года. «Мне никогда не удавалось детально рассмотреть следующие пару поколений [полупроводников]. Удивительно, однако, что поколения продолжают сменяться одно за другим, удерживая нас на одном и том же склоне», — писал Мур. «Текущий прогноз таков, что это тоже не остановится в ближайшее время». Это могло быть правдой в 1995 году, но вскоре закон Мура начал раздвигать границы физики и столкнулся с экзистенциальной проблемой.

Почему закон Мура не работает?

Источник: Intel

Проблема с законом Мура в 2022 году заключается в том, что размер транзистора теперь настолько мал, что мы просто не можем сделать больше, чтобы уменьшить его. Затвор транзистора, часть транзистора, через которую электроны текут в виде электрического тока, в настоящее время приближается к ширине всего 2 нанометров, согласно плану производства Тайваньской компании по производству полупроводников на 2024 год.

Атом кремния имеет ширину 0,2 нанометра, что длина затвора 2 нанометра соответствует примерно 10 атомам кремния в поперечнике. В таких масштабах управлять потоком электронов становится все труднее, поскольку все виды квантовых эффектов проявляются внутри самого транзистора. В более крупных транзисторах деформация кристалла в масштабе атомов не влияет на общий поток тока, но когда у вас есть только расстояние около 10 атомов для работы, любые изменения в базовой атомной структуре будут влиять на этот ток. через транзистор. В конечном счете, транзистор приближается к точке, когда он настолько мал, насколько мы можем его сделать, чтобы он все еще функционировал. То, как мы создавали и совершенствовали кремниевые чипы, приближается к своей последней итерации.

Есть еще одна потенциальная ловушка для закона Мура, и это простая экономика. Стоимость уменьшения размеров транзисторов не снижается так, как это было в 1960-х годах. В лучшем случае он немного уменьшается от поколения к поколению, но недостаток масштаба начинает отягощать производство. Когда спрос на полупроводниковые микросхемы только начал расти, инженерные мощности для производства микросхем были дорогими, но, по крайней мере, они были доступны. При стремительном росте спроса на все, от смартфонов до спутников и Интернета вещей, просто не хватает возможностей для удовлетворения этого спроса, что увеличивает цены на каждом этапе цепочки поставок.

Серверная в дата-центре Facebook | Источник: Facebook/Meta

Более того, когда количество транзисторов удваивается, увеличивается и количество выделяемого ими тепла. Стоимость охлаждения больших серверных помещений становится все более и более неприемлемой для многих предприятий, которые являются крупнейшими покупателями самых передовых процессорных микросхем. Поскольку предприятия пытаются продлить срок службы и производительность своего текущего оборудования, чтобы сэкономить деньги, производители микросхем, ответственные за выполнение закона Мура, получают меньше доходов, которые можно направить на исследования и разработки, которые сами по себе становятся более дорогими.

Без этого дополнительного дохода становится намного сложнее преодолеть все физические препятствия для дальнейшего сокращения транзисторов. Таким образом, даже если физические проблемы не положат конец закону Мура, это почти наверняка произойдет из-за отсутствия спроса на транзисторы меньшего размера.

Итак, что мы с этим делаем?

На данный момент это вопрос на триллион долларов. Мы провели последние 70 лет, переживая беспрецедентный технологический прогресс, так что быстрый технический прогресс воспринимается как данность почти каждым промышленно развитым обществом на данный момент.

Как вы можете внезапно остановить это? На что это вообще похоже? Что бы значило иметь один и тот же iPhone в течение 30 лет? Очевидно, мы могли бы просто справиться с этим как общество. В нашей ДНК нет ничего, что обязывало бы нас покупать новый iPhone каждые два-три года и совершенно новый компьютер каждые пять лет. Мы просто привыкли к такому темпу прогресса, и если этот темп изменится, мы тоже к нему приспособимся.

В конце концов, компьютеры у человечества появились меньше века назад, или около 1/250 000 времени нашего существования на этой планете как вида. Мы обязательно найдем способ вынести такие бедствия.

В качестве альтернативы мы можем с волнением и предвкушением посмотреть на окончание закона Мура. В конце концов, невзгоды — мать изобретательности. Мы потратили последние 70 лет, пытаясь понять, как уменьшить размер транзистора, и теперь этот путь инноваций подходит к концу.

Это абсолютно не единственный путь вперед, и если мы больше не будем прилагать все усилия к уменьшению размеров транзисторов, мы сможем направить эту энергию в другие области и открыть новые прорывы, по сравнению с которыми изобретение транзистора может показаться банальным. Мы не узнаем, пока не изучим эти новые пути инноваций, и конец закона Мура может стать сигналом, который нам нужен, что пора начать искать новый двигатель прогресса.

Закон Мура мертв! Да здравствует закон Мура!

Источник: jeuxvideo.com

В конце концов, закон Мура никогда не был «законом», а скорее самоосуществляющимся стремлением. Мы ожидали, что плотность транзисторов будет удваиваться каждый год, а затем каждые два года, и поэтому мы искали, как мы могли бы выполнить эту задачу.

Что бы ни случилось дальше, будь то квантовые вычисления, машинное обучение и искусственный интеллект или даже что-то, для чего у нас еще даже нет названия, мы найдем новое стремление продвигать эти инновации вперед.

В конце концов, наше увлечение законом Мура никогда не было связано с плотностью транзисторов. Большинство людей, которые слышали о законе Мура, не могли даже начать объяснять, что вообще означают плотности транзисторов, не говоря уже о том, как взаимосвязанные транзисторы образуют логические схемы или как работает смартфон в их кармане (или даже карманный калькулятор 1970-х годов, если уж на то пошло). . Для большинства из нас закон Мура всегда касался наших ожиданий прогресса, а это во многом зависит от нас.

Закон Мура, возможно, и находится на последнем издыхании, но мы найдем новый закон Мура, если захотим.

Еще новости

культура
Пилот в Миссисипи угрожает напасть на магазин Walmart с помощью «украденного» самолета

Лукия Пападопулос| 03.09.2022

наука
Где инопланетяне? Новое исследование может наконец разрешить парадокс Ферми

Пол Ратнер | 03.08.2022

инновации
Создатель смелого концепта Apple Car сравнивает его с «коконом»

Мерт Эрдемир| 09.02.2022

Будущее транзисторов

Первый объявление об изобретении транзистора встретили почти без фанфар. Первоначально считалось, что интегральная схема быть полезным только в военных приложениях. Микропроцессор инвесторы ушли до того, как он был построен, думая это была пустая трата денег. Транзистор и его детище постоянно недооценивались, но превратились сделать больше, чем кто-либо предсказывал.

Сегодняшние предсказания также говорят, что есть предел как много транзистор может сделать. В это время вокруг, предсказания таковы, что транзисторы не могут значительно меньше, чем сейчас. Опять же, в 1961 году ученые предсказали, что нет транзистор на чипе может быть меньше 10 миллионные доли метра — и на современном Intel Pentium чип у них в 100 раз меньше.

Оглядываясь назад, такие предсказания кажутся нелепыми, и легко думать, что текущие прогнозы звучит так же глупо через тридцать лет. Но современные прогнозы предельного размера основаны на какая-то очень фундаментальная физика — размер атома и электрон. Поскольку транзисторы работают на электричестве ток, они должны всегда, несмотря ни на что, быть не менее достаточно большой, чтобы пропускать электроны.

С другой стороны, все, что действительно нужно, это одного электрона за раз. Транзистор маленький достаточно для работы только с одним электроном. феноменально мало, но теоретически возможно. Транзисторы будущего могут сделать современные чипы кажутся такими же большими и громоздкими, как электронные лампы кажутся нам сегодня. Проблема в том, что когда устройства становятся такими крошечными, все движется по законам квантовой механика, а квантовая механика позволяет электронам делать какие-то странные вещи. В транзисторе, который маленький, электрон вел бы себя скорее как волна, чем одна частица. Как волна размазала бы в космосе и мог даже проложить себе путь через транзистор без реального воздействия на него.

Тем не менее, в настоящее время исследователи работают над инновационные способы создания таких крошечных устройств — отказ от кремния, отказавшись от всех современных методов производства. Такие транзисторы известны, что неудивительно, как одиночные электронные транзисторы, и они будут считаться включенными. или «выключено» в зависимости от того, держали ли они электрон. (Транзисторы на этом уровне были бы используются исключительно как переключатели для двоичного кодирования, а не как усилители. ) На самом деле, такое крошечное устройство может использовать квантовую странность сверхмалого. Электрон может быть закодирован как три позиции — вместо просто «включено» или «выключено» оно могло бы также иметь «где-то между включенным и выключенным». Это откроет двери для совершенно новых видов компьютеров. Однако на данный момент эффективных однократных электронные транзисторы.

Даже без новых технологий есть место для миниатюризации. Совершенствуя современные методы строительства, скорее всего ток транзисторов будет как минимум вдвое к 2010 году. С почти миллиардом транзисторов на новейшем процессоре Intel это будет означать в четыре раза столько транзисторов на чипе теоретически возможно.