В первой части статьи я рассказывал о том, что такое полупроводники и как работают полупроводниковые приборы на примере диода.
(Полупроводники, транзисторы и микрочипы простыми словами. Часть 1-я.)
Сегодня я расскажу еще об одном устройстве, без которого не обходится вся современная электроника.
Транзистор
Итак, что же такое транзистор, чем он отличается от диода и почему оказался так востребован?
Если диод используют как клапан, пропускающий ток только в одном направлении, то полупроводниковый транзистор – более сложный электронный компонент. Он не просто пропускает ток через материал, но и контролирует поток заряженных частиц.
Это стало возможным благодаря тому, что при изготовлении транзистора используют не 2 слоя с одним p-n переходом (как у диода), а 3 слоя с двумя p-n переходами между ними. Причем, 2 одинаковых слоя располагаются по бокам, а между ними еще один.
Транзисторы такого типа называются биполярными. В зависимости от расположения слоев в таком «гамбургере» различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Один из боковых слоев называется истоком, источником или эмиттером, другой – стоком или коллектором, центральный слой – затвором (базой).
Этот центральный слой выполняет ключевую роль.
Когда к базе прикладывается напряжение и через нее течет электрический ток (его называют током базы), носители заряда (электроны или дырки) перемещаются из эмиттера в базу и далее в коллектор. То есть, транзистор начинает пропускать ток.
Когда же к базе напряжение не прикладывается, через нее ток не течет и сам транзистор перестает пропускать ток.
Вот так на схемах изображают транзистор:
Но как это управление током базы и всего транзистора помогает в электронике? Что стоит за этим процессом и как это помогает решать задачи?
Вот тут стоит сделать небольшой шаг в сторону и затронуть принцип работы цифровой техники.
В цифровом устройстве, например, в компьютере, все операции (от арифметических вычислений до обработки аудио-, видео-сигналов и т.д.) сводятся к выполнению огромных последовательностей простых логических операций над двоичными данными в виде сигналов 0 и 1.
В физическом плане логические уровни 0 и 1 представляют собой разные значения электрического напряжения в электронных цепях. Чаще всего логическому нулю соответствует напряжение около 0,8 Вольт, а логической единице – около 2,4 Вольт.
Как видите, логическому нулю не соответствует именно нулевое значение напряжения. То есть, логический ноль не предполагает полное отсутствие напряжения. Оно там есть, но гораздо ниже, чем нужно для создания логической единицы. Поэтому компоненты в электронной цепи будут реагировать на сигналы только в указанных диапазонах, а не на любые сигналы.
Таким образом, транзистор используют как управляемый переключатель: подача на базу сигнала, соответствующего логической единице, запускает течение тока (и тогда на выходе транзистора тоже получаем логическую единицу). А отсутствие сигнала на базе транзистора, соответствующего логическому нулю, блокирует ток (что приводит к нулевому состоянию на выходе).
Это упрощенная логика работы, построенная всего лишь на одном транзисторе. Для полноценного же функционирования цифровой техники нужны более сложные логические элементы, которые могут производить операции над входящими сигналами 0 и 1 – складывать эти сигналы, умножать, менять на противоположное значение или выполнять несколько действий одновременно.
Например, операции И (логическое умножение), ИЛИ (логическое сложение), НЕ (логическое отрицание), И-НЕ (логическое умножение с отрицанием), ИЛИ-НЕ (логическое сложение с отрицанием) и т.д. Эти логические операции выполняются в строгом соответствии с так называемой Булевой алгеброй или Булевой логикой. То есть, Булева алгебра четко определяет, что получится при сложении, умножении и отрицании двух сигналов, принимающих значения 0 или 1.
Логические же элементы (их еще называют вентилями) формируют за счет разнообразных схем подключения транзисторов. Например, соединением базы одного транзистора с базой другого транзистора или соединением эмиттера одного транзистора с коллектором другого и т.д.
На схеме представлен вентиль ИЛИ-НЕ с использованием 4 транзисторов (они пронумерованы). Сигналы 1 или 0, которые подаются на входы А и В, дают на выходе С результирующий сигнал в соответствии с Булевой логикой.
В зависимости от сложности выполняемых операций, в одном вентиле может использоваться от 1 до 4 транзисторов. А в одной микросхеме (их еще называют чипами) может содержаться до нескольких миллионов и даже миллиардов таких вентилей и, соответственно, крошечных транзисторов.
Вот почему продвижение технологий микросхемотехники напрямую зависит от возможности размещать максимально большее число транзисторов на полупроводниковом кристалле, а также от быстродействия этих транзисторов.
Кстати, говоря о быстродействии, мы обычно вкладываем в это понятие сверхскоростное выполнение множества операций путем обработки электрических сигналов. И в этом смысле транзистор, а вернее, их совокупность, ассоциируется у нас с центральным процессором устройства – его «мозгом». Но ведь помимо процессора, как вы знаете, у компьютера и телефона есть также запоминающее устройство – оперативная память (ОЗУ) и жесткий диск (HDD или SSD). То же справедливо и для человеческого мозга – мы не только думаем, обрабатываем информацию, но и запоминаем ее.
Каким же образом в цифровых устройствах организовано хранение информации? Подойдут ли для этой цели транзисторы или потребуются какие-то другие полупроводниковые приборы?
Оказывается, хранить цифровую информацию можно также с помощью транзисторов! Правда, для этого они должны быть другой конфигурации.
Транзисторы с плавающим затвором
Для хранения информации был придуман новый тип транзистора. Вот как он выглядит на схеме:
Как вы уже догадались, от обычного биполярного транзистора его отличает наличие плавающего затвора (на схеме он оранжевого цвета). Почему его назвали «плавающим» и зачем он нужен?
А «плавающим» его назвали потому, что он изолирован от n-p-n канала (или p-n-p) и от базы (ее называют управляющим затвором).
Как работает такой транзистор? Допустим, нам нужно записать логическую «1». Для этого подаем напряжение на управляющий затвор, чтобы пустить электрический ток от истока к стоку.
Величина тока будет такой, что часть электронов попадет на плавающий затвор, «пробив» диэлектрик между ним и p-областью. За счет проскочивших электронов затвор оказывается отрицательно заряженным и создает электрическое поле. Это поле начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается или «запирается».
Если же отключить питание транзистора, электроны с плавающего затвора никуда не денутся, и его заряд останется неизменным на длительное время. То есть, на затворе останется записанная логическая «1». Таким образом, даже после отключения телефона или компьютера электрический заряд на плавающем затворе сохранится. Так работает элементарная ячейка памяти, на которой можно записать один бит информации (0 или 1).
Но если есть способ записать информацию с помощью транзистора, значит должен быть способ ее стереть. То есть, разрядить плавающий затвор.
Для этого на управляющий затвор подается заряд противоположного знака, который притянет к себе электроны плавающего затвора. Плавающий затвор «освободится» от электронов, «потеряет» электрическое поле и «откроется» для очередной записи.
Теперь вы знаете, как соотносятся между собой полупроводник, транзистор и микрочип, и что за процессы происходят на химическом, физическом и логическом уровне.
Свое мнение о прочитанном вы можете оставить в виде лайка/дизлайка или комментария. А чтобы не пропустить новые публикации, подписывайтесь на мой канал!
Также вы можете отметить статью и ее автора через донаты - добровольную помощь в создании контента. Любой, даже маленький донат будет для меня бесценным и даст возможность уделять каналу больше времени, размещать больше интересных и полезных статей.
Поддержать автора можно по ссылке:
dzen.ru/lampshade?donate=true