В телефоне почти сто миллионов транзисторов, а в ноутбуке более миллиарда. Транзисторы есть практически в любом электроприборе из тех, что мы используем, в телевизоре, радио, даже в Тамагочи. Но как они работают?
Основной принцип по сути весьма прост. Транзистор действует как переключатель, и контролирует подачу электричества: он может быть выключен - это состояние называется ноль; или он может быть включен - это единица. Сегодня так обрабатывается и хранится вся информация. Нули и единицы это фрагменты электрического тока. В отличии от переключателя у транзистора нет движущихся частей, и он не требует участия человека, он может включаться и выключаться куда быстрее чем человек может щёлкать переключателем. И наконец самое важное - он невероятно мал! Это все благодаря чуду полупроводников, или лучше сказать науке полупроводников.
Чистый кремний это полупроводник, что значит, что он проводит ток лучше чем диэлектрик, но не так хорошо как металл. Все это потому, что у атома кремня четыре электрона на внешней или валентной орбите. Это позволяет формировать связи с его четырьмя ближайшими соседями. В итоге он формирует четырёхгранный кристалл, но так как все электроны застряли в связях, лишь некоторым из них хватает энергии, чтобы высвободиться и начать двигаться через кристаллическую решётку. Именно небольшое количество движущихся зарядов и делает кремний полупроводником. Все это было бы не так полезно, если бы не легирование. Такой своеобразный допинг. Принцип примерно такой же: вы вводите чужеродную субстанцию для повышения производительности - почти одно и тоже только на атомном уровне.
Существуют примеси двух видов n-тип и p-тип. Для полупроводника n-типа Вам нужно взять кремний и добавить немного вещества с пятью валентными электронами вроде фосфора. Фосфор очень похож на кремний, по этому он может поместиться в решётку, но он приносит с собой ещё один электрон, а значит в полупроводнике теперь больше подвижных зарядов и он проводит ток лучше. При легировании p-типа в решётку добавляется элемент лишь с тремя валентными электронами, например бор, и это создает дырку, место где должен быть электрон, но его там нет, но это все равно увеличивает проходимость так как электроны могут заполнять эти дырки. Несмотря на то, что двигаются именно электроны, принято говорить, что двигаются дырки, ведь их намного меньше. Так как у дырки отсутствие электрона, она выполняет роль положительного заряда. Именно поэтому проводники этого типа так называются P, что означает положительный. Токопроводимость обеспечивается за счёт положительного заряда. Многие думают, что проводники n-типа отрицательно заряжены а проводники p-типа положительно, но это не правда - они все заряжены нейтрально, у них внутри одинаковое количество электронов и протонов n и p лишь означают знак заряда который в них движется. Так что в N-типе двигаются отрицательные электроны, а в P-типе положительные дырки, но они оба нейтральны.
Транзисторы делаются из полупроводников n-типа и p-типа. Самая популярная конфигурация имеет n на концах и p посередине, как в переключателе. На концах транзистора находятся электрические контакты, они называются исток и сток соответственно, но вместо металлического ключа здесь есть третий электрический элемент «затвор», который изолирован от полупроводника оксидной плёнкой. В транзисторе n и p проводники не изолированы друг от друга и на самом деле электроны диффундируют из n-типа где их много в p-тип заполняя дырки, таким образом получается объединённый слой. Чем же он объединён? Свободными зарядами. Свободных электронов в n-типе больше нет. Почему? Потому, что они заполнили дырки в p-типе. Из-за дополнительных электронов p-тип становится отрицательным. Теперь p-тип отталкивает все электроны которые будут пытаться выйти из n-типа, поэтому объединённый слой действует как барьер, не допуская потом электрического тока через транзистор. Так, что пока транзистор выключен он как разомкнутый ключ, он в нулевом состоянии. Для включения на затворе необходимо создать небольшое положительное напряжение которое притянет электроны из n-типа сквозь объединённый слой, по сути это уменьшит слой и электроны могут начать двигаться, образуя проводящий канал. Теперь транзистор включён. Он в состоянии «единицы» и это удивительно потому, что просто используя свойства кристаллов мы смогли создать переключатель без движущихся частей, который можно быстро включать и выключать подачей напряжения, и самое важное сделать его крошечным.
Сегодня ширина транзисторов всего двадцать два нанометра, то есть они состоят из примерно пятидесяти атомов, но следуя закону Мура, они должны становиться все меньше и меньше. Закон мура гласит, что каждые два года число транзисторов на чипе должно удваиваться, но этому есть предел: при сближении контактов друг к другу начинают проявляться квантовые эффекты и электроны смогут туннелировать напрямую с одного контакта на другой так, что не возможно будет сделать достаточно мощный барьер, чтобы остановить перетекание заряда. Это станет реальной проблемой для будущего транзисторов. Но мы столкнёмся с ней лишь лет через десять а до тех пор транзисторы в привычном нам виде будут становится все лучше.
