Сегодня я изложу самую суть, и постараюсь не уходить далеко в сторону. Поэтому объяснение будет узким, без упоминаний различных видов транзисторов, поведений p-n переходов при пробоях различного типа и т.п.. Делаю я так намерено, чтобы максимально упростить объяснение работы транзистора.
Итак, в микропроцессорах используются т.н. полевые транзисторы, названные так, потому что управляются электрическим полем, создаваемым затвором. Схематично транзистор выглядит так:
Красным цветом показана кремниевая пластина, в которой количество электронов на этапе изготовления намеренно снижается (p-тип) путём добавления в расплав (из которого вытягивают монокристалл для его нарезки на пластины) специальных примесей с меньшей, чем у кремния, валентностью.
Синим цветом показаны области с избытком электронов, которые формируются путём добавления в них примесей с большей, чем у кремния, валентностью.
Что такое валентность и как она помогает менять количество электронов в веществе будет объяснено ниже.
Как примесь формирует недостаток электронов?
Кремний имеет валентность IV (расположен в четвёртом столбце таблицы Менделеева), то есть, каждый его атом имеет на верхнем уровне четыре так называемых валентных электрона. Эти электроны образуют связи с соседними атомами (т.н. ковалентные связи), формируя т.н. кристаллическую решётку.
Таким образом, каждый атом кремния взаимодействует с четырьмя соседними атомами, постоянно обмениваясь с каждым из них этими валентными электронами. Скажем так, пара валентных электронов у двух соседних атомов общие.
Если в эту кристаллическую решётку внедрить какое-то количество атомов вещества с валентностью III (например, атомы индия), то есть такие атомы, у которых только три электрона может взаимодействовать с соседними атомами, то они, заместив отдельные атомы кремния, для одной из своих связей не смогут найти у себя электрон, и эта связь кристаллической решётки будет испытывать дефицит электрона и называться «дыркой».
Однако этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи между другими соседними атомами кремния. Тогда атом индия превратиться в отрицательно заряженный ион, а в ковалентной связи соседних атомов кремния в свою очередь образуется вакансия (дырка). В свою очередь, на это место может перескочить электрон из следующей по цепочке ковалентной связи. В результате как бы получается хаотическое блуждание этих «дырок» по кристаллу.
Закрытый транзистор.
Исток и сток — это вход и выход транзистора. Для их формирования в кремниевую пластину p-типа внедряют (инжектируют) атомы вещества с валентностью больше, чем у кремния.
Как я уже упоминал выше, кремний имеет валентность IV, значит нам нужны атомы вещества из пятого столбика таблицы Менделееева, например, мышьяк с его пятью валентными электронами.
При образовании ковалентных связей в кристаллической решётке кремния у таких атомов остаётся один незадействованный валентный электрон, и в результате в кремнии возникает избыток электронов. Такие лишние электроны называются свободными и хаотично (в отсутствие внешнего электрического поля) летают между атомами.
Когда в кремнии возникает избыток электронов, это положительно сказывается на его электропроводности. Таким образом, под истоком и стоком формируются отдельные области высокой проводимости (n-тип).
Однако, поскольку между ними расположен слой с недостатком электронов p-тип), то фактически на пути тока от истока к стоку образуется два последовательных p-n перехода (как бы два диода, стоящих навстречу друг другу), один из которых (в зависимости от направления тока) всегда будет закрыт.
Поэтому ток от истока к стоку и наоборот проходить не будет.
Почему p-n переход пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом?
Фактически, p-n переход является всем нам привычным диодом. Ток проходит, когда со стороны области с избытком электронов подаётся минус, а со стороны с недостатком электронов, соответственно, оказывается плюс.
Минус отталкивает от себя электроны (ведь они имеют отрицательный заряд, а одноимённые заряды отталкиваются), и они идут к плюсу, который их притягивает. В результате эти электроны переносят заряд между минусом и плюсом, то есть, p-n переход начинает пропускать ток.
Ток не проходит, когда со стороны области с избытком электронов, наоборот, подаётся плюс, а со стороны с недостатком электронов, соответственно, оказывается минус.
Плюс притягивает электроны, и они не идут через p-n переход, а просто прилипают к плюсу. Дополнительно и минус с противоположного конца их отталкивает от себя. То есть, никакого перемещения электронов в такой ситуации быть не может, поэтому ток через p-n переход в этом направлении не проходит.
Соответственно, если развернуть два p-n перехода друг к другу одинаковыми полюсами (например, сделать p-область общей), и попробовать пропустить через эту цепочку ток любой полярности, он будет останавливаться либо одним, либо другим p-n переходом, что и происходит в транзисторе.
Открытие транзистора
Транзистор открывается, когда его встречные p-n переходы, не пропускающие никакой ток, под воздействием электрического поля превращаются в сплошную проводящую n-область. Как же это происходит?
Если на затвор транзистора подать некоторое положительное напряжение (относительно подложки), то под ним возникнет электрическое поле, которое будет притягивать электроны подложки (ведь электроны отрицательно заряженные, и будут притягиваться к положительному затвору). При этом все дырки, естественно, начинают выдавливаться глубже в подложку.
Помимо в целом недостаточного количества электронов ковалентных связей в p-области, там всё же имеется небольшое количество свободных электронов, и они тоже притянутся к затвору. В конце концов, за счёт вытеснения дырок и концентрации свободных электронов, под затвором возникнет (индуцируется) электропроводный канал и транзистор откроется:
Между каналом с электронами сверху и подложкой с дырками снизу (дырки также могут способствовать перемещению заряда, поскольку создают места для перемещения электронов) формируется уравновешенная область с диэлектрическими свойствами без свободных электронов и без дырок, которая препятствует утечке тока в подложку.
Таким образом, между истоком и стоком появляется фактически изолированный проводничок, по которому и проходит ток. Всё, транзистор открыт.
Заключение
Осознав вышеизложенное, становится понятным, почему в моих статьях о конструкциях транзисторов для микропроцессоров (да и не только в моих) на рисунках подложка и каналы обозначены одним цветом. Всё просто — пока к затвору не приложен электрический потенциал, это действительно один и тот же кремний с теми же самыми свойствами.
И только когда благодаря затвору возникает электрическое поле, свойства кремния под ним меняются — он расслаивается на электропроводный канал, слой с диэлектрическими свойствами и, собственно, подложку. Поэтому никаких замыканий через подложку не происходит.
Кстати, о разных конструкциях транзисторов можно почитать в моей статье «Эволюция транзистора в микропроцессоре. Кратко и человеческим языком.».
На сегодня всё. ставьте нравлики, если материал вам понравился и оказался полезным. Подписывайтесь на канал и делитесь своими соображениями и уточнениями в комментариях. Удачи! :-)