Транзистор действительно прост и очень сложен. Начнем с простой части. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные задачи. Он может работать как усилитель или переключатель:
Когда он работает как усилитель, он принимает небольшой электрический ток на одном конце (входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это очень полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей, для которых люди использовали транзисторы. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон, который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в колебательные электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и питает крошечный динамик, так что вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более юмористической форме: «Если вы возьмете стог сена и привяжете его к хвосту мула, а затем зажжете спичку и зажжете тюк сена в огне, и если вы затем сравните энергию, затраченную вскоре после этого мулом, с энергией, затраченной вами при зажигании спички, вы поймете концепцию усиления».
Транзисторы также могут работать как переключатели. Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может вызвать гораздо больший ток через другую его часть. Другими словами, малый ток включает больший. По сути, именно так работают все компьютерные чипы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может включаться или выключаться индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа: ноль и единицу. Благодаря миллиардам транзисторов чип может хранить миллиарды нулей и единиц и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.
Самое замечательное в машинах старого образца было то, что их можно было разобрать, чтобы понять, как они работают. Никогда не было слишком сложно, приложив немного усилий, выяснить, какой бит что делает и как одно приводит к другому. Но электроника совсем другая. Все дело в использовании электронов для управления электричеством. Электрон – это мельчайшая частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0,000000000000000000000000000001 кг! Самые совершенные транзисторы управляют движением отдельных электронов, поэтому вы можете себе представить, насколько они малы. В современном компьютерном чипе размером с ноготь вы, вероятно, найдете от 500 миллионов до двух миллиардов отдельных транзисторов. Нет возможности разобрать транзистор, чтобы выяснить, как он работает, поэтому вместо этого нам приходится понимать его с помощью теории и воображения. Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.
Как устроен транзистор?
Транзисторы изготавливаются из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (он не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это означает, что на самом деле он не является ни проводником (что-то вроде металла, который пропускает электричество), ни изолятором (что-то вроде пластика, который останавливает ток электричества). Если мы обработаем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы сможем заставить его вести себя по-другому. Если мы легируем кремний химическими элементами мышьяком, фосфором или сурьмой, кремний получит несколько дополнительных «свободных» электронов, которые могут переносить электрический ток, поэтому электроны будут выходить из него более естественным образом. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний, обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий. В кремнии, обработанном таким образом, меньше «свободных» электронов, поэтому электроны из близлежащих материалов будут стремиться перетекать в него. Мы называем этот вид кремния p-типом (положительный тип).
Вкратце, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни кремний p-типа на самом деле не имеют заряда сами по себе: оба они электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, тогда как кремний p-типа имеет меньше свободных электронов, что способствует увеличению его проводимости обратным образом. В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, который изначально был нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею, называемую зонной теорией, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободные электроны, которые могут свободно перемещаться и помогают проводить электрический ток.
Силиконовые сэндвичи
Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их слоями, создав сэндвичи из материалов p-типа и n-типа, мы сможем создавать различные виды электронных компонентов, которые будут работать разными способами.
Предположим, мы соединили кусок кремния n-типа с куском кремния p-типа и установили электрические контакты с обеих сторон. На стыке двух материалов начинают происходить интересные и полезные вещи. Если мы включим ток, мы сможем заставить электроны течь через переход со стороны n-типа на сторону p-типа и выходить через цепь. Это происходит потому, что недостаток электронов на стороне p-типа перехода притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы изменим ток, электроны вообще не пойдут. То, что мы здесь сделали, называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды также можно изготовить таким образом, чтобы они излучали свет, когда через них проходит электричество. Возможно, вы видели эти светодиоды (LED) на карманных калькуляторах и электронных дисплеях стереоаппаратуры Hi-Fi.