Как устроен транзистор?

Как устроен Транзистор (физический аспект)

Купить транзисторы вы можете на Aliexpress оптом

Доброго времени суток. В своем блоге я перешел к рассмотрению транзистора по одной причине. В дальнейшем мы часто будем затрагивать радиоэлектронику, включая пайку схем. И знать как устроен транзистор, я считаю — это необходимо. Тем более в наше время транзисторы везде, во всех электронных приборах. На работе транзистора основаны процессоры, микросхемы и многое другое.

P.S. Также в скором будущем мы будем делать свой полноценный процессор, а точнее Битовый Сумматор, который без знания работы транзистора не представляет интереса.

Начнем…

Вот так выглядят транзистор

Состав транзистора — это кремниевые, реже германиевые пластины. Также производят из нитрида галлия(высокое качество, дорого в производстве).

Полный список Вы можете найти в интернете.

Основной принцип работы транзистора прост: в одном случае транзистор пропускает ток, когда на Базу подается напряжение, в другом не пропускает, когда База остается нетронутой.

Схематичное представление транзистора

Сейчас все разберем по порядку. Транзисторы бывают полевыми (от слова поле) и Биполярными (Би — значит «2»). На рисунке выше изображен Биполярный транзистор. (Полярный разберем чуть позднее, но смысл у него тот же).

Биполярные транзисторы бывают n-p-n и p-n-p переходы (n — negative[электронный], p — positive [дырочный]). Для определенности рассмотрим n-p-n переход.

1. Из Базиса (области «p») электроны диффундируют (Диффузия) в области «n» слева и справа. Т.е. дырки в электронную, а электроны в дырочную. На границе между переходами образуется поле, создаваемое зарядами «+» и «-«. Таким образом, процесс диффузии останавливается и создается баланс между электронами и дырками.

2. Если к n и n частям подвести ток, то каким бы не было направление тока, он течь не будет(точнее будет, так как ничего идеального нет, но он будет ничтожно мал). Рассмотрим почему:

При подключении к ЭДС таким образом, как на рисунке (рассмотрим левую часть) ток начнет течь от «+» к «-«, т.е. дырки в левой «n» зоне начнут заполняться электронами, следовательно, в левой части «p» зоны появятся положительные ионы, которые создадут запирающее напряжение, и поэтому ток не пойдет. Т.е. наш ток от батареи пытается течь по часовой стрелки, а транзистор против часовой.

Конечно, если подать достаточно большое напряжение, то произойдет пробой, в результате чего ток потечет, но транзистор станет непригодным. Чтобы этого не произошло, надо читать инструкцию к транзистору, в котором написано максимальное работоспособное напряжение.

Аналогичная ситуация, если подсоединить батарею наоборот. Только тогда ток, создаваемый ЭДС потечет против ч.стрелки, а в транзисторе поле будет направлено в др сторону.

3. Теперь подключим к третьей ножке (Базе) ток.

В таком случае между n — p переходом исчезнет барьер и потечет ток, отсюда следует, что и у p — n перехода уйдет сдерживающее поле, тогда и по большой цепи, и по малой потекут электроны.

Полевой транзистор

Быстренька пройдемся по полевому транзистору.

1. У полевого транзистора также 3 части: Исток(откуда идут электроны), Сток(куда текут электроны), Затвор(пластина с электронными дырками).

Когда затвор не замкнут в цепи, то электроны могу спокойно течь против тока и никто им не мешает. (против, потому что ток течет от «+» к «-«, а электроны от «-» к «+»)

2. Если замкнуть затвор

На пластине затвора образуются избытки электронов. (Пластины обрамлены диэлектриком) Отсюда на нижней пластине — излишки положительных ионов, что препятствует протеканию тока. И только некоторым электронам это удается. Аналогично с биполярными транзисторами (БТ).

Надеюсь, я понятным языком объяснил, как устроены и как работают транзисторов. Как и всегда вы можете писать свои предложения и вопросы в комментариях.

П.С. Почему электроны, частицы несущие заряд, при протекании тока, идут от «-» к «+», а ток течет от «+» к «-» ?

Отв: Благодаря Лейденским ученым, Вольту и др. мы узнали о существовании тока, и когда его открыли, то предписали, что он течет от + к — (условно). Но электрон открыли гораздо позднее (1897г). А к моменту открытия тока, о частице несущей заряд не было известно.

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Главная » Новичку

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Рейтинг

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Как возможен транзистор с двумя ножками?

Транзисторы: принцип работы,​ схема подключения, отличие биполярного от полевого

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Что такое транзистор

Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети.

На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Виды транзисторов

В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

Транзистор

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.

Устройство транзистора — и его диагностика. Проверка транзистора мультиметром

Устройство транзистора

В начале темы немного о самих транзисторах. Транзистор используется для управления электрическим током, то есть с помощью данного элемента можно управлять величиной тока с использованием его для:

Состоит транзистор из трех областей перехода со свойственной для каждого перехода своей проводимостью.

Данные свойства проводимости мы можем наблюдать путем измерения сопротивления:

• база — коллектор;
• база — эмиттер;
• коллектор — эмиттер.

Большое применение транзисторы нашли в радиотехнике. Рассмотрим устройство транзисторов:

Основной функцией для транзисторов рис.1 является усиление сигналов.

Из чего изготавливается транзистор

Изготавливается транзистор либо из германия либо из кремния.

Для взаимодействия областей биполярного транзистора:

— к транзистору необходимо приложить правильное напряжение. Если приложить напряжение от внешнего источника к p -n — переходу, — данный переход называют смещением. Когда положительный потенциал подается на p — область, а отрицательный потенциал на n — область, данный p — n — переход открывается. Ток при таком переходе протекает прямой. При обратном n — p — переходе значение сопротивления будет велико и так называемый обратный ток принимает малое значение.

рис.2: Устройство n — p — n транзистора

Для данного n — p — n транзистора, представленном в рис.2, наглядно показаны так называемые — переходы:

• область эмиттерного перехода;
• область коллекторного перехода

и соответственно схематические обозначения транзисторов обоих типов.

Более наглядное объяснение устройства биполярного транзистора, — показано на рис.3

По данному рисунку устройства биполярного транзистора — можно вполне ясно наблюдать, что биполярный транзистор состоит из трех областей с чередующимся типом проводимости.

Проверка транзистора мультиметром

Мы как бы уже частично ознакомились с устройством транзистора и теперь необходимо усвоить навыки, — проведения диагностики для данных элементов.

На фотоснимке показан один из двух способов диагностики транзисторов.

Для данного наглядного примера, диагностика транзистора проводится следующим образом:

Ножки транзистора вставляются в соответствующее гнездо мультиметра, учитывая при этом тип транзистора:

• p — n — p — переход;
• n — p — n — переход.

На дисплее прибора здесь наблюдается проводимость между переходами в транзисторе.

Следующим методом проведения диагностики для транзистора, — является метод измерения сопротивления:

Проведение диагностики транзистора — методом измерения сопротивления в переходах

Для этого, прибор мультиметр выставляется в соответствующий диапазон для измерения сопротивления.

Два разъема проводов вставляются в гнезда прибора и двумя щупами проводится измерение сопротивления переходов в транзисторе.

Дисплей прибора при этом будет указывать либо на малое сопротивление, при котором ток в данном направлении будет — прямым; либо дисплей прибора выдаст наибольший показатель сопротивления, — в данном примере, переход будет являться обратным n — p — переход.

В данном фотоснимке, дисплей прибора мультиметр показывает сопротивление при прямом и обратном переходах в транзисторе. При прямом переходе — сопротивление принимает наименьшее значение, при обратном переходе — наибольшее значение.

Наличие сопротивления в прямом и обратном направлениях

При следующем приведенном примере, дисплей прибора показывает — единицу. Из этого следует, что в двух переходах:

Отсутствие сопротивления в переходах неисправность транзистора

Как правильно припаять транзистор

При замене транзистора, как мы убедились, учитываются значения сопротивления в переходах или же другими словами — подбирается серия транзистора.

Научившись правильно пользоваться мультиметром и зная устройство того или иного элемента, — можно выполнить определенный объем работы по устранению подобных поломок.

На схеме, как правило, имеются обозначения для припаивания ножек транзистора эмиттер, коллектор, база. Для транзисторов обоих типов среднюю область называют базой, две другие внешние области называют — коллектором и эмиттером.

Данная тема будет содержать дополнение, касающееся типов транзисторов, их замене, — а также обучающие видеоролики в этом направлении.

Немного о транзисторах.

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры. Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во “включенном” и “выключенном”. Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора – это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN – положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда – электроны, а в PNP – дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб 0

2

Как проверить транзистор мультиметром.

01 Окт 2012г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Сегодня хочу рассказать, как проверить исправность транзистора обычным мультиметром. Хотя для этого существуют специальные пробники, и даже в самом мультиметре имеется гнездо для проверки транзисторов, но, на мой взгляд, все они не совсем практичны. Вот чтобы подобрать пару транзисторов с одинаковым коэффициентом усиления (h31э) пробники вещь даже очень нужная. А для определения исправности достаточно будет и обыкновенного мультика.

Мы знаем, что транзистор имеет два p-n перехода, причем каждый переход можно представить в виде диода (полупроводника). Поэтому можно утверждать, что транзистор — это два диода включенных встречно, а точка их соединения будет являться «базой».

Отсюда получается, что один диод образован выводами, например, базы и коллектора, а другой диод выводами базы и эмиттера. Тогда нам будет достаточно проверить прямое и обратное сопротивление этих диодов, и если они исправны, значит, и транзистор работоспособен. Все очень просто.

Начнем с транзисторов структуры (проводимость) p-n-p. На принципиальных схемах структура транзисторов обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Если стрелка направлена к базе, значит это структура p-n-p, а если от базы, значит это транзистор структуры n-p-n. Смотрите рисунок выше.

Так вот, чтобы открыть p-n-p транзистор, на вывод базы подается отрицательное напряжение (минус). Мультиметр переводим в режим измерения сопротивлений на предел «2000», можно в режиме «прозвонка» — не критично.

Минусовым щупом (черного цвета) садимся на вывод базы, а плюсовым (красного цвета) поочередно касаемся выводов коллектора и эмиттера — так называемые коллекторный и эмиттерный переходы. Если переходы целы, то их прямое сопротивление будет находиться в пределах 500 – 1200 Ом.

Теперь проверяем обратное сопротивление коллекторного и эмиттерного переходов.
Плюсовым щупом садимся на вывод базы, а минусовым касаемся выводов коллектора и эмиттера. На этот раз мультиметр должен показать большое сопротивление на обоих p-n переходах.

В данном случае на индикаторе высветилась «1», означающая, что для предела измерения «2000» величина сопротивления велика, и составляет более 2000 Ом. А это говорит о том, что коллекторный и эмиттерный переходы целы, а значит, наш транзистор исправен.

Таким способом можно проверять исправность транзистора и на печатной плате, не выпаивая его из схемы.

Конечно, встречаются схемы, где p-n переходы транзистора сильно зашунтированы низкоомными резисторами. Но это редкость. Если при измерении будет видно, что прямое и обратное сопротивление коллекторного или эмиттерного переходов слишком мало, тогда придется выпаять вывод базы.

Исправность транзисторов структуры n-p-n проверяется так же, только уже к базе подключается плюсовой щуп мультиметра.

Мы рассмотрели, как проверить исправный транзистор. А как понять, что транзистор неисправный?
Здесь тоже все просто. Если прямое и обратное сопротивление одного из p-n переходов бесконечно велико, т. е. на пределе измерения «2000» и выше мультиметр показывает «1», значит, этот переход находится в обрыве, и транзистор однозначно неисправен.

Вторая распространенная неисправность транзистора – это когда прямое и обратное сопротивления одного из p-n переходов равны нулю или около того. Это говорит о том, что переход пробит, и транзистор не годен.

И тут уважаемый читатель Вы меня спросите: — А где у этого транзистора находится база, коллектор и эмиттер. Я его вообще в первый раз вижу. И будете правы. А ведь действительно, где они? Как их определить? Значит, будем искать.

В первую очередь, нужно определить вывод базы.
Плюсовым щупом мультиметра садимся, например, на левый вывод транзистора, а минусовым касаемся среднего и правого выводов. При этом смотрим, какую величину сопротивления показывает мультиметр.

Между левым и средним выводами величина сопротивления составила «1», а между левым и правым мультиметр показал 816 Ом. На данном этапе это нам ничего не говорит. Идем дальше.
Плюсовым щупом садимся на средний вывод, а минусовым касаемся левого и правого.

Здесь результат измерения получился почти таким же, как и на рисунке выше. Между средним и левым величина сопротивления составила «1», а между средним и правым получилось 807 Ом. Тут опять ничего не ясно, поэтому идем дальше.

Теперь садимся плюсовым щупом на правый вывод, а минусовым касаемся среднего и левого выводов транзистора.

На рисунке видно, что величина сопротивления между правым-средним и правым-левым выводами одинаковая и составила бесконечность. То есть получается, что мы нашли и измерили обратное сопротивление обоих p-n переходов транзистора. В принципе, уже можно смело утверждать, что вывод базы найден. Он оказался правым. Но нам еще надо определить, где у транзистора коллектор и эмиттер. Для этого измеряем прямое сопротивление переходов. Минусовым щупом садимся на вывод базы, а плюсовым касаемся среднего и левого выводов.

Величина сопротивления на левой ножке транзистора составила 816 Ом – это эмиттер, а на средней 807 Ом – это коллектор.

Запомните! Величина сопротивления коллекторного перехода всегда будет меньше по отношению к эмиттерному. Т.е. вывод коллектора будет там, где сопротивление p-n перехода меньше, а эмиттера, где сопротивление p-n перехода больше.

Отсюда делаем вывод:

1. Транзистор структуры p-n-p;
2. Вывод базы находится с правой стороны;
3. Вывод коллектора в середине;
4. Вывод эмиттера – слева.

А если у Вас остались вопросы, то можно дополнительно посмотреть мой видеоролик о проверке обычных транзисторов мультиметром.

Ну и напоследок надо сказать, что транзисторы бывают малой, средней мощности и мощные. Так вот, у транзисторов средней мощности и мощных, вывод коллектора напрямую связан с корпусом и находится в середине между базой и эмиттером. Такие транзисторы устанавливаются на специальные радиаторы, предназначенные для отвода тепла от корпуса транзистора.

Зная расположение коллектора, базу и эмиттер определить будет легко.
Удачи!

Интегральная схема

— Как выглядит транзистор в микросхеме Intel 4004?

Я все еще ищу хорошее изображение поперечного сечения SEM или подобное представление. А пока посмотрим, насколько близко мы сможем подобраться.

ОБНОВЛЕНИЕ: Последние результаты в конце!

Стоит посмотреть на YouTube: Интервью по истории техники с Тедом Хоффом0005

См. рис. 6 (стр. 34): The_MOS_Silicon_Gate_Technology_and_the_First_Microprocessors

См. рис. 6 (стр. 12): микропроцессор Intel 4004: Что представляет собой изобретение?

LAYOUT и Mask Layers: полная иллюстрация, схемы и симулятор для набора микросхем микропроцессора Intel MCS-4 (семейство 4004): «Снова вместе через 38 лет!» а также Intel 4004 спустя 44 года! Отчет о проделанной работе за 2015 г.

Одним из важных элементов, которые необходимо зафиксировать в изображениях SEM, чтобы полностью ответить на вопрос, является использование самовыравнивающихся литников из поликремния, а не настоящих металлических (алюминиевых) литников, использовавшихся ранее. Буква M в MOS (CMOS, PMOS, NMOS) означает металл, и важно помнить, что раньше это был действительно металл!

От микропроцессора Intel 4004 и технологии Silicon Gate:

Технология кремниевых ворот

Технология кремниевых затворов была первой в мире коммерческой МОП-технологией с самовыравнивающимися затворами. До этой технологии управляющий затвор МОП-транзистора изготавливался из алюминия вместо поликристаллического кремния. МОП-транзисторы с алюминиевым затвором были в три-четыре раза медленнее, занимали вдвое большую площадь кремния, имели более высокий ток утечки и меньшую надежность по сравнению с транзисторами с кремниевым затвором. Фаггин создал технологию кремниевых ворот в 1968 во время работы в научно-исследовательских лабораториях Fairchild Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния. Он также спроектировал и построил первую в мире коммерческую интегральную схему с использованием технологии кремниевых затворов: Fairchild 3708 — 8-битный аналоговый мультиплексор с логикой декодирования. Первый 3708 был изготовлен в июле 1968 года и продемонстрировал существенно улучшенные характеристики по сравнению со своим аналогом с металлическим затвором (называемым 3705) и стал коммерчески доступным в октябре 1968 года.

Статья довольно длинная, вот еще выдержка:

Чтобы сделать этот процесс возможным, потребовался ряд инноваций:

1. Новая архитектура процесса (последовательность шагов маскирования и их топология)

2. Замена аморфного кремния, полученного методом вакуумного испарения, на поликристаллический кремний, полученный осаждением из паровой фазы, поскольку испаренный аморфный кремний не разрушался на ступенях оксида. В экспериментах Bell Labs аморфный кремний не проходил стадии оксида; по этой причине можно было производить только дискретные транзисторы, а этот процесс не подходил для интегральных схем.

3. Надежный метод травления поликремниевого материала,

4. Использование фосфорных газопоглотителей для поглощения примесей, всегда присутствующих в транзисторе, что вызывает проблемы с надежностью.

SGT также была принята Intel при ее основании (1968 г.) и в течение нескольких лет стала основной технологией производства МОП-интегральных схем во всем мире, которая существует и по сей день.

Микропроцессор Intel 4004 и технология Silicon Gate

Платная ссылка на транзакции IEEE на электронных устройствах (том: 16, выпуск: 2, февраль 1969 г.): https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1475473 Researchgate: https://www.researchgate. сеть/публикация/3068458_Insulated_Gate_Field_Effect_Transistor_Integrated_Circuits_with_Silicon_Gates

Первые документы о технологии Silicon Gate (SGT) и Fairchild 3708: Фаггин Ф., Кляйн Т. и Вадаш Л.: «Интегральные схемы полевых транзисторов с изолированным затвором и кремниевыми затворами». Технология Silicon Gate, разработанная в 1968 Федерико Фаггина из Fairchild Semiconductor, впервые был представлен Фаггином на Международной конференции по электронным устройствам IEEE 23 октября 1968 года в Вашингтоне, округ Колумбия.

Подтвержденная схема: http://www.4004.com/assets/redrawn-4004-schematics-2006-11-12.pdf

---

Из публикации 2011 г. Понимание Intel 4004, найденной в IC Reverse Engineering and Other Adventures

Вид сверху под оптическим микроскопом, частичная деконструкция, одноконтактный интерфейс:

Выход выбора микросхемы (?) для внешней ОЗУ 4002:

---

---

Из микропроцессора Intel 4004 и технологии Silicon Gate :

Текущая выставка 4004 в музее Intel (2014 г.) и вводная информация

Из я нашел несколько скриншотов аналогичных шагов изготовления устройства PMOS из

Самые ранние статьи о Fairchild 3708: Федерико Фаггин и Томас Кляйн .: «Быстрое поколение МОП-устройств с низкими пороговыми значениями находится на вершине новой волны, микросхемы Silicon-Gate». Журнал «Электроника», 29 сентября 1969 г.

На обложке изображена Fairchild 3708, первая в мире коммерческая интегральная схема с использованием технологии Silicon Gate, разработанная Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году.

• см. обложку и страницу 1
• просмотреть страницы 2 и 3
• просмотреть страницы 4 и 5
• просмотреть страницы 6 и 7

---

Проверьте следующее для SEM-изображений поперечного сечения: 28 (1969)

Аннотация

Технология кремниевых затворов

обеспечивает выгодный подход к реализации крупномасштабных интегрированных массивов полевых транзисторов. Его преимущества, в основном обусловленные низким пороговым напряжением и самовыравнивающейся структурой затвора, скрытой под изолятором, облегчают проблему сопряжения этих схем с биполярными интегральными схемами и повышают как их производительность, так и функциональную плотность, делая МОП-интегральные схемы более простыми и экономичными. использовать. В этой статье рассматривается недавний прогресс в этой технологии и показано ее применение для построения сложных цифровых функций, как показано на схеме памяти.

Платный доступ: технология кремниевых ворот F. Faggin and T. Klein, Solid-State Electronics, 13, 1125 (1970)

Аннотация

В этой статье описываются технология и характеристики интегральных схем полевых транзисторов с изолированным затвором, в которых в качестве электрода затвора используется осажденный поликристаллический кремний.

После краткого описания характеристик технологии кремниевых затворов будут рассмотрены некоторые основные свойства системы кремний-диоксид кремния-кремний, этапы обработки для изготовления устройств с кремниевыми затворами и электрические характеристики полученных устройств. быть пересмотрены. Сравнение между технологией кремниевых затворов и стандартной технологией будет проведено с использованием 3705, восьмиканального коммутатора-мультиплексора с логикой декодирования.

Будут даны рекомендации по проектированию технологии кремниевых затворов и некоторые примеры проектов.

Платные полевые транзисторы металл-нитрид-оксид-кремний с самовыравнивающимися затворами Дж. К. Сараче, Р. Э. Кервин, Д. Л. Кляйн и Р. Эдвардс, Solid-State Electronics, 11, 653 (1968)

Аннотация

Кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором (FET) были изготовлены с использованием процессов, включающих относительно некритичные этапы фоторезиста и самоограничивающегося травления. Важные особенности метода включают формирование изолятора затвора в чрезвычайно чистых условиях, включение барьера щелочных ионов (нитрид кремния) для достижения стабильных характеристик устройства и автоматическое выравнивание электрода затвора относительно истока и стока. Изолятор затвора, состоящий из 600 Å выращенного диоксида кремния, покрытого 400 Å нитрида кремния, формируется в начале изготовления. Таким образом, граница раздела Si-SiO2 устанавливается в точке, где к исходному материалу могут быть применены самые современные методы очистки. Толстый (8000 Å) слой SiO2 пиролитически осаждается поверх нитрида для минимизации контактных емкостей в готовой структуре. Это должно быть удалено из активной области устройства, и используется разница в скорости травления между SiO2 и нитридом кремния, чтобы обеспечить хорошо контролируемую толщину изолятора затвора. Таким образом, нитридный слой выполняет двойную функцию: обеспечивает барьер для подвижных ионов в готовой конструкции и действует как устойчивый к травлению слой во время изготовления для достижения контроля над геометрией.

Поликристаллический слой кремния используется для формирования электрода затвора, который формируется на ранней стадии процесса и используется для определения границ окон истока и стока. Этот аспект изготовления обеспечивает самовыравнивание электрода затвора относительно истока и стока. Во время диффузии областей истока и стока поликристаллический кремний становится достаточно проводящим, поэтому металлизация электрода затвора не требуется, за исключением одного конца для контактных целей. Это устраняет необходимость критического выравнивания фоторезиста.

С помощью этого процесса были изготовлены устройства с индуцированным каналом (улучшением) n и p. Были получены напряжения включения при токе стока 10 мкА +1,35 В (n-канал) и -2,6 В (p-канал) с разбросом по срезу менее 12%. Анализ характеристик устройства показывает, что подвижность полевого эффекта составляет 335 и 233 см2/В-сек для n- и p-канальных устройств соответственно. Старение при смещении при 300 °C указывает на наличие остаточного подвижного положительного заряда порядка 1,5 × 1011 зарядов/см2, что приводит к сдвигу напряжения включения менее чем на 1 В в течение нескольких сотен часов при подаче +10 В на батарею. ворота.

Microchip Technology: Concepts, Products, Company

---

» Перейти к дополнительным разделам

Микрочип — это синоним слова «чип», который на сленге является «интегральной схемой». Почему термин «чип»? Потому что, когда вы разрезаете пластину интегральных схем на отдельные части, они выглядят как чипы. Так и было раньше, потому что первые из них в 1980-х годах были намного меньше, чем многие современные чипы. Тем не менее, есть еще крошечные чипы, сделанные в 2020 году, а также гораздо более крупные размером с почтовую марку и даже больше. Как ни трудно в это поверить, почтовая марка в 100 раз толще активных слоев чипа. Есть все виды чипов, и основные из них описаны ниже.

Основным компонентом чипа является транзистор, который похож на выключатель на стене. Он позволяет току проходить или нет, в зависимости от положения переключателя. За исключением транзистора, переключатель представляет собой импульс электричества. Импульс закрывает или, в некоторых случаях, открывает линию. Транзисторы соединены по схемам (последовательно, параллельно и т. д.), которые соответствуют правилам булевой логики, из которых состоят все цифровые схемы.

Сегодня существуют микросхемы, содержащие от 50 000 до более чем 30 миллиардов транзисторов. И в самом деле, если посчитать все транзисторы во всех микросхемах, когда-либо произведенных с 1970-х годов было изготовлено более 10 секстиллионов транзисторов. Чтобы уточнить, секстиллион — это миллиард раз триллион. Это делает транзистор самой производимой вещью в мировой истории. Ну, может, M&Ms и превышают это число, но здесь мы говорим об электронике.

Транзистор похож на выключатель света. За исключением этого случая, тумблер представляет собой импульс электричества. Когда транзистор работает в импульсном режиме, он позволяет току проходить через полупроводниковый материал.

---

ЦП

На рынке представлено множество микросхем, но большинство людей слышали о центральном процессоре (ЦП). В каждом компьютере и мобильном устройстве есть процессорный чип, который является основным исполнительным устройством, выполняющим инструкции в программном обеспечении. По сути, ЦП в каждом компьютере — это то, что следует вводимым в него инструкциям, и без ЦП его вряд ли можно назвать компьютером.

ЦП. У каждого компьютера есть ЦП, выполняющий инструкции. В мэйнфреймах также используются микросхемы, но весь корпус с самого начала назывался ЦП.

---

ОЗУ и хранилище

Оперативная память компьютера (ОЗУ) — это место, где происходит вся обработка, а чипы ОЗУ используются почти во всех электронных вычислительных устройствах на планете. Хотя раньше для хранения использовались магнитные диски и магнитные ленты, сегодня хранилище обычно представляет собой микросхемы флэш-памяти. Ваш USB-накопитель представляет собой флэш-чип, и, скорее всего, в вашем ноутбуке используется твердотельный накопитель (SSD), содержащий флэш-чипы.

Модуль памяти (динамическое ОЗУ).

---

Флэш-память – SSD. Корпус этого SSD открыт, чтобы обнажить микросхемы. Внешне все чипы выглядят одинаково, но ОЗУ и флэш-память работают по-разному. Оперативная память энергозависима, а микросхемы флэш-памяти хранят их содержимое.

---

MCU

Микроконтроллер — или блок микроконтроллера (MCU) — называется «компьютером на кристалле». Он имеет ЦП вместе с ОЗУ, хранилищем и цепями ввода-вывода. Каждый год производятся миллиарды MCU, потому что они есть во всем, от плюшевого мишки вашего ребенка до вашего тостера. На самом деле в вашей новой машине их может быть больше сотни.

Микроконтроллеры не являются современными, потому что в этом нет необходимости. Они могут стоить всего 50 центов или пару долларов, но интересно то, что их использует множество приложений. В последнее время при проектировании устройства дешевле и быстрее использовать MCU вместо разработки специального электронного или механического устройства для выполнения самых повседневных задач, таких как включение и выключение устройства.

MCU может находиться в вашей новой машине, ожидая, пока вы откроете дверь, чтобы он мог включить внутреннее освещение, затем подождите, пока она закроется, чтобы он мог отсчитать 15 секунд и выключить свет.

Представьте себе, что в 1950-х годах, когда вы смотрите на UNIVAC I размером с комнату, который потряс всех, когда он предсказывает победу Эйзенхауэра на выборах перед окончательным подсчетом голосов, кто-то сказал: «В будущем все, что вы увидите в этой комнате, будет не больше, чем булавочной головкой и с ее помощью можно включить кофеварку».

Микроконтроллеры (MCU). Используется в тысячах продуктов, ежегодно производятся миллиарды микроконтроллеров.

---

ГП

Графические процессоры (GPU) — это микросхемы, отвечающие за рендеринг изображений, видимых на экране. Они содержат сотни параллельных блоков обработки для преобразования кадра данных в матрицу пикселей экрана. Графические процессоры также могут включать быструю трассировку лучей, которая вычисляет, как источник света генерирует яркие и темные области на объектах для полного реализма.

Быстрый графический процессор — это сердце и душа игрового компьютера, а топовые карты могут стоить дороже, чем сам компьютер. Из-за возможности параллельной обработки графические процессоры также используются для ИИ и других приложений, интенсивно использующих математику.

Встроенный графический процессор. Этот чип Trinity от AMD представляет собой двухъядерный процессор и графический процессор на одном чипе. Графические процессоры часто интегрируются, как в этом примере, но они также широко доступны в виде отдельных карт. (Изображение предоставлено AMD; www.amd.com .)

---

SoC

Все больше схем строится на одном чипе, что устраняет необходимость соединения нескольких чипов. Система на кристалле (SoC), которая есть в каждом смартфоне, сочетает в себе центральный процессор и графический процессор. Также могут быть включены оперативная память и хранилище, а также сопроцессоры для математической обработки.

Wi-Fi также может быть встроен. SoC содержат миллиарды транзисторов, и именно этим чипам уделяется наибольшее внимание. Если учесть все, что они делают, это действительно настоящее чудо.

Очень полный SoC . Используемый в телефонах Android процессор Qualcomm Snapdragon 855 обладает всеми возможностями обработки, необходимыми для современного смартфона, включая обработку графики и искусственного интеллекта.

---

FPGA

Наиболее уникальным чипом является программируемая вентильная матрица (FPGA), которая представляет собой «программируемое оборудование». В то время как каждый процессор выполняет инструкции, содержащиеся в программном обеспечении, FPGA «перемонтирует» свои собственные логические схемы в зависимости от карты соединений, которая загружается при каждом запуске.

Почему этот тип чипа? Потому что железо всегда быстрее софта. ЦП должен получить следующую инструкцию, интерпретировать ее назначение и затем выполнить ее. Схемы в FPGA автоматически перемонтируются каждый раз, чтобы просто сделать это.

FPGA используются для тестирования новой конструкции микросхемы и даже для более быстрого вывода продуктов на рынок, поскольку разработка новых микросхем с нуля требует времени и больших денег. Они также используются в производственных средах, где требуется скорость, но требования к обработке постоянно обновляются — нередкое явление.

Чрезвычайно универсальная ПЛИС. Микросхема Xilinx Versal ACAP включает в себя программируемую логику (в центре), а также два процессора ARM, контроллеры ввода/вывода и механизмы цифровой обработки сигналов (DSP) для математической обработки. Этот уникальный чип, содержащий более 30 миллиардов транзисторов, легко настраивается для различных приложений, таких как искусственный интеллект и криптовалюты. (Изображение предоставлено Xilinx; www.xilinx.com .)

---

AI Accelerators

Искусственный интеллект (ИИ) сегодня является самым популярным словом в отрасли, потому что каждая отрасль пытается использовать его тем или иным образом. Искусственный интеллект, очень успешный в распознавании образов (лиц, речи и т. д.), все чаще используется для обнаружения неизвестных взаимосвязей, а также для улучшения процесса принятия решений.

Основой архитектуры приложения ИИ является нейронная сеть, которая во многом напоминает нейроны и взаимосвязи в человеческом мозгу. Ускорители искусственного интеллекта специально разработаны для запуска механизмов логического вывода, которые представляют собой нейронные сети в действии, выдающие ответы. Независимо от того, для какой цели были разработаны сети, специальные чипы ИИ ускоряют непомерно большое количество математических процессов, происходящих во многих параллельных соединениях.

Microchip Technology, Inc.

---

Что очень приятно в Microchip Technology, так это то, что это американская компания по производству микросхем, расположенная в пригороде Феникса, штат Аризона. США являются лидером в полупроводниковой промышленности (официальное название производства микросхем) с такими компаниями, как Intel, Qualcomm, Micron и NVIDIA. Тем не менее, Microchip малоизвестен обычному человеку, но есть вероятность, что один из их чипов выполняет инструкции в одном или нескольких ваших приборах, электроинструментах или каком-либо другом продукте, который вы используете каждый день.

Первоначально дочерняя компания General Instrument в 1987 году, Microchip стала независимой двумя годами позже. Компания производит несколько типов микросхем, включая процессоры, микроконтроллеры, а также аналоговые и цифровые микросхемы для различных отраслей промышленности. Компания даже производит радиационно-стойкие чипы для аэрокосмической отрасли. Тем не менее, Microchip широко известна своей линейкой микроконтроллеров PIC (MCU), и было поставлено миллиарды единиц. Имея очень обширную линейку продуктов, компания базируется в Чандлере и Темпе, штат Аризона, с предприятиями в Орегоне, Колорадо, Таиланде и на Филиппинах.

В начале 2019 года я посетил завод Microchip в Чендлере, и это было довольно познавательно. Одетая в одежду для чистых помещений, клаустрофобия, которую я испытала во время двухчасового тура, того стоила.

Все в костюмах. Алану Фридману и специалисту по связям с общественностью компании Microchip Кристи Хабер просто понадобились нейлоновые перчатки, чтобы начать экскурсию.

---

Все микросхемы изготовлены из тонких пластин кремния (называемых пластинами) диаметром от 4 до 12 дюймов. На одной пластине могут быть тысячи микросхем, и все транзисторы на всех микросхемах изготавливаются одновременно.

Элементы транзистора создаются слой за слоем, и в операции может быть дюжина или более слоев и много шагов. Весь процесс может занять дни, недели и даже месяцы, в зависимости от типа чипа. Это было открытием для меня, как, я думаю, и для большинства людей, потому что чипы настолько быстры, что можно подумать, что они также производятся за доли секунды. Вряд ли дело.

Чипы Microchip являются самыми современными для микроконтроллеров, но процесс их создания не является таковым, потому что в этом нет необходимости. Новейшие высокопроизводительные процессоры Intel, SoC в новейших смартфонах и самые быстрые графические процессоры NVIDIA, от которых у геймеров текут слюнки, — это чипы, которые привлекают все внимание. Это те, у которых миллиарды транзисторов становятся все плотнее и плотнее, поэтому на одном чипе можно разместить больше схем.

Люди хотят, чтобы в их смартфонах было больше функций, и они хотят, чтобы они были тоньше и легче. Геймерам нужна большая скорость рендеринга для реалистичного действия. К счастью, ваша кофеварка отлично работает с микроконтроллером от Microchip, который был построен с использованием полупроводниковой технологии, восходящей к 1980-м и 1990-м годам. В противном случае цена вашего тостера обойдется вам в дополнительные сто долларов, а гаджет вашего малыша за 15 долларов будет стоить 115 долларов.

Производители игрушек, электроники и других гаджетов хотят иметь больше встроенных возможностей и хотят поддерживать низкие розничные цены, поэтому миллиарды микроконтроллеров идеально подходят для всех требований и почему Microchip продолжает выпускать их как горячие пирожки. Микроконтроллер Microchip может стоить намного меньше, чем ваш стек блинов в iHop; всего пара долларов. На самом деле всего 50 центов.

Тестовая пластина с микроконтроллерами PIC25 от Microchip. Чипы были извлечены из этой пластины и проверены на однородность. На крупном плане (вверху) показаны голые микросхемы и те, что были удалены для тестирования.

---

Готовые к установке микроконтроллеры PIC25. Здесь показана голая микросхема (голый кристалл) и корпус, в который они смонтированы для размещения на печатной плате.

---

Часть UNIVAC I, поставленная в 1956 году. В сегодняшних долларах UNIVAC I стоит 12 миллионов долларов, на которые можно купить около пяти миллионов микроконтроллеров Microchip или 24 миллиона самых маленьких микросхем Microchip, и каждая микросхема будет далеко мощнее, чем UNIVAC I. Представьте, что вы смотрите эту сцену в 1956 году, и кто-то рядом с вами говорит: «Знаешь, в будущем все, что ты видишь сейчас, будет таким маленьким, что его можно будет уместить на кончике пальца». Что бы вы сказали тогда?

---

Транзисторы изготовлены методом литографии. Пластины покрыты фоторезистом, а узоры создаются путем воздействия на пластину ультрафиолетового света через фотошаблон. Неэкспонированные участки вытравливаются, позволяя химическим веществам оседать под поверхностью. Слои создаются по одной фотомаске за раз.

---

Библиотека фотошаблонов Microchip. Рисунок транзистора и схема наносятся на каждый слой путем просвечивания через фотошаблоны. Чипы требуют от семи до 40 и более фотошаблонов для создания необходимых слоев.

---

Объекты Microchip. Все оборудование, необходимое для производства чипсов, является узкоспециализированным. Вы не найдете это в Home Depot!

---

Все операции на пластинах. Вафли чем-то напоминают виниловые пластинки и старомодные музыкальные автоматы (помните такие?). Нижнее изображение — стадия нагрева пластин.

---

Нет ультрафиолетовых длин волн. Фоторезист, используемый для покрытия пластин, очень чувствителен к свету, и на различных участках подготовки используется освещение, в котором исключена длина волны УФ-излучения.

---

Заключение

Надеюсь, вам понравилось больше узнать об удивительном микрочипе. Кто знает. Возможно, будущие поколения, оглядываясь назад, будут поражены «большими» размерами современных чипов. NV

---

Технические характеристики микроконтроллера PIC18F25K83 (MCU)

Тип памяти программ	Вспышка
Размер памяти программы (КБ)	32
Частота процессора (MIPS/DMIPS)	16
Статическая оперативная память (B)	2 048
Данные EEPROM/HEF (байты)	1024
Периферийные устройства цифровой связи	2-UART, 1-SPI, 1-I 2 C
Периферийные устройства захвата/сравнения/ШИМ	4 КПК
Таймеры	3 x 8 бит, 4 x 16 бит
Вход АЦП	24 канала, 12 бит
Количество компараторов	2
Количество модулей CAN	1 банка
Диапазон температур (°C)	от -40 до 125
Диапазон рабочего напряжения (В)	от 1,8 до 5,5
Количество контактов	28
Низкая мощность	Да

---

Самый большой чип в мире

Кремниевый чип или интегральная схема (ИС) — одно из самых великолепных, сложных и революционных творений человечества.

Сама ИС представляет собой кремниевый сэндвич, состоящий из множества транзисторов (маленьких переключателей), соединенных вместе в электрические цепи. С момента совместного изобретения интегральной схемы Робертом Нойсом и Джеком Килби в 1958–1959 годах произошло неустанное улучшение плотности транзисторов. Вы могли видеть эти изменения в космических кораблях, авиации, средствах связи и, что наиболее очевидно для большинства из нас, в потребительских товарах того времени. Например, на заре ИС одним из первых продуктов был базовый четырехфункциональный 1973 Портативный калькулятор Sears/Bowmar. Шестьдесят лет спустя популярный потребительский продукт — это смартфон с голосовым управлением, подключенный к «мировому мозгу» Интернета — научная фантастика всего лишь поколение назад.

Больше и лучше

Потребовалось много времени, чтобы достичь этого, но прогресс был устойчивым: с тех пор, как инженер-химик Fairchild Semiconductor Гордон Мур впервые написал об ИС в 1965 году, примерно каждые 18–24 месяца число транзисторов в интегральной схеме увеличивалось. удвоился. Основным процессом, который позволил это сделать, является фотолитография, которая, если разобрать ее греческое происхождение, означает «писать светом на камне». Рисунок 1 ниже показывает общую идею.

Источник: https://bits-chips.nl/artikel/euv-for-dummies/

Свет (часто ультрафиолетовый) пропускается через трафарет с узорами, которые проектировщики интегральных схем хотят выжечь на чипе. Для этого до и после применяются специальные химические вещества, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет построен сэндвич, состоящий из многих слоев, и ИС не будет закончена и готова к упаковке.

Самый большой в мире чип

Компьютерный дизайнер Гордон Белл однажды заметил, что получение максимально возможной скорости в компьютерах, полностью основанных на интегральных схемах, часто связано с «подготовкой и упаковкой». Поскольку интегральные схемы нагреваются тем сильнее, чем быстрее они работают, быстрые компьютеры должны заботиться о том, чтобы их чипы оставались прохладными. Мы можем видеть, что это ограничение повторяет это в наблюдении, что несколько патентов легендарного дизайнера суперкомпьютеров Сеймура Крея были связаны со способами поддержания прохлады его лучших в мире компьютерных систем. Для Крэя, который всегда раздвигал границы возможного, предотвращение возгорания системы было так же важно, как и проектирование быстрых схем.

Cerebras, хорошо финансируемый стартап из Силиконовой долины, разработал одно из самых гениальных и технически элегантных решений проблемы «впихивания» (перефразируя Гордона Мура) большего количества транзисторов в чип, сохраняя при этом его охлаждение. Как далеко можно зайти? Ответ поразителен: на огромном цельном квадратном куске кремния со стороной около 8,5 дюймов Cerebras Wafer-Scale Engine (WSE) имеет 2,6 триллиона транзисторов, что составляет 850 000 оптимизированных для ИИ процессоров. (Рисунок 2.) Размер транзистора в WSE составляет 7 нанометров. ДНК человека составляет 2,5 нанометра. В этом одном чипе Cerebras намного больше транзисторов, чем во всех 100 000 вычислительных объектов, вместе взятых в постоянной коллекции Музея.

Рис. 2. Двигатель Cerebras Wafer-Scale Engine

Преимущество WSE в том, что его конструкция и производство в значительной степени соответствуют существующим отраслевым процессам и методам. Их уникальная гениальность заключалась в создании передовой экосистемы для жизни WSE, которая снабжала ее электроэнергией, охлаждением и связью.

Улучшение процесса

Чтобы осуществить это, Cerebras полагается не на какой-то экзотический новый метод или технологию, а на существующие процессы производства полупроводников, просто слегка модифицируя их. (Например, 8,5 дюйма на боковой поверхности — это то, что остается, когда вы берете стандартную 300-миллиметровую пластину и разрезаете ее на квадрат).

Принимая во внимание эти аспекты — упаковку, охлаждение и плотность транзисторов — как выглядит этот удивительный чип в упаковке? (Рисунок 3) Сама WSE находится в центре и выглядит довольно деликатно среди довольно сложного оборудования. Эта окружающая технология, тем не менее, является ключом к функционированию WSE, поскольку она соединяет WSE с внешним миром через некоторые очень серьезные соединительные системы, прокачивает воду через охлаждающие пластины, к которым она прикасается, чтобы поддерживать ее прохладу (снова Белл и Крей), и обеспечивает потрясающий 20 кВт электроэнергии для питания этих триллионов транзисторов. Этого, кстати, достаточно для электроснабжения примерно пяти домов в США. Звучит много, но на самом деле это всего лишь несколько миллиардных долей ватта на транзистор. Это те инженерные проблемы, которые вам приходится решать, когда вы сжимаете стойки обычных компьютеров до одного чипа.

Масштабы, амбиции и производительность двигателя Cerebras Wafer-Scale Engine невозможно представить.

Рисунок 3: Покомпонентное изображение «блока двигателя» в основе системы Cerebras CS-2. Источник: Cerebras Systems.

Скорость, скорость, скорость

При всем этом внимании к массовой интеграции (поместить все на один гигантский чип и эффективно его упаковать) типичная система Cerebras составляет примерно 1/10 размера эквивалентной компьютерной системы, использующей «древние способы». соединения сотен тысяч микросхем на отдельных печатных платах, в отдельных шкафах, а затем соединения их вместе. Когда его спросили, почему он не одобряет использование нескольких небольших процессоров в своих суперкомпьютерах, легендарный компьютерный дизайнер Сеймур Крей язвительно заметил: «Что бы вы предпочли, чтобы тянули свой плуг? Один крупный бык или 64 курицы?»

Так для чего же используются эти триллионы транзисторов в ВФБ, интересно вам?

Убийственное приложение WSE для ИИ заключается в сокращении времени обучения нейронных сетей — сетей, которые делают ИИ «интеллектуальным». WSE может выполнить то, на что у других компьютеров уходят недели, и получить результаты за считанные минуты.

Результат такого гигантского сокращения времени обучения означает, что ответы на эксперименты с искусственным интеллектом могут быть получены в течение минут или часов, а не дней. Это ускоряет поиск лекарств, может моделировать потенциальные лекарства от рака, выполнять обработку изображений и работать в десятках новых приложений, основанных на искусственном интеллекте, которые понадобятся нашему миру для решения проблем будущего.

Поскольку со временем технологии на основе искусственного интеллекта будут формировать большую часть мира, WSE — это важная веха для коллекционирования, поэтому музей особенно рад представить образец этого удивительного устройства в своей коллекции. постоянная коллекция. WSE будет демонстрироваться в течение ограниченного времени рядом с главным вестибюлем CHM, начиная с 3 августа 2022 года. Пожалуйста, посетите и лично посмотрите на это редкое устройство.