Polovodiče jsou základem civilizace. Část 2 – Tranzistory | Pikabu

Jak jsem již zmínil v předchozím příspěvku, právě díky polovodičům udělala lidská civilizace obrovský skok vpřed na cestě pokroku. Moderní život je bez nich nemyslitelný a téměř každé zařízení, které je připojeno k elektrické zásuvce, obsahuje elektronické součástky na bázi polovodičů.

Žijeme v informační době, téměř polovina populace naší planety je připojena ke globální síti, každý den si mezi sebou vyměňujeme megabajty informací a to vše by nebylo možné, kdyby neexistovaly tranzistory – relativně jednoduchá zařízení, bez kterých by byl provoz jakéhokoli mikroprocesoru nemyslitelný.

Možná, že před zahájením příběhu stojí za to pojmenovat důvody, proč lidé vůbec uvažovali o vynalezení tranzistoru. Hlavním důvodem bylo, že při použití telegrafního i rádiového spojení byl příchozí signál velmi slabý, což často znemožňovalo jeho normální příjem. Kdyby tak existovalo zařízení, které by dokázalo regulovat úroveň napětí v obvodu úměrně příchozímu signálu, tedy ve skutečnosti signál zesílit!

Když studenti dostanou materiál o elektrotechnice, velmi často uvádějí analogie z hydrauliky, protože pro lidi je snazší představit si proudění kapaliny uvnitř potrubí než proudění elektrických nábojů vodičem. Doufám, že mě tato analogie nezklame, protože nyní, pro zcela hypotetický příklad, vymyslíme hydraulický tranzistor:

Představme si, že máme slabý vlnový signál (nezáleží na tom, kdo nám ho posílá nebo odkud přichází), a tento signál k nám přichází ve formě tlakových změn v nádobě, která je ve schématu označena jako Brána. Je zřejmé, že čím větší tlak je, tím více se ventil otevře a tím více kapaliny bude moci proudit ze Zdroje do Odtoku. Charakteristické je, že intenzita proudu kapaliny na odtoku bude přesně opakovat příchozí signál, ale bude mnohem silnější.

Před vynálezem tranzistoru používaly elektrické obvody lampy zvané triody:

Trioda je konstruována téměř stejně jako elektronková dioda (viz předchozí příspěvek), s jedinou výjimkou, že mezi katodou a anodou je protažena mřížka, které se říká „řídící mřížka“, na kterou je připojen přídavný kontakt. Pokračujeme-li v analogii s předchozím gifem, můžete vidět, že mřížka funguje jako závěrka. Pole vytvořené řídicí mřížkou ovlivňuje anodový proud. Pod kontrolou jsou elektrony emitované katodou ve formě prostorového náboje. Stupeň dopadu závisí na vzdálenosti konkrétní elektrody od katody.

Vzhledem k tomu, že umístění řídicí mřížky je blíže katodě ve srovnání s anodou, vliv jejího elektrického pole na náboj katody bude vyšší než u anody. Při průchodu elektrického proudu triodou dochází k pohybu elektronů ve směru od katody k anodě. V tomto případě procházejí otvory řídicí mřížky. Pokud na něj aplikujeme malé množství negativního potenciálu přes nohu na základně lampy, pak budeme schopni změnit počet elektronů pohybujících se z jedné elektrody na druhou. Působení záporného potenciálu aplikovaného na mřížku způsobí odpuzování některých elektronů. Další elektrony vstupující do triody stále překonávají otevřený prostor mezi elektrodami a pohybují se směrem k anodě. To je možné ovládat tok proudu přes lampu a vnější obvod.

Lampy byly na jednu stranu velmi pokrokovým vynálezem, ale zároveň byly velmi křehké a velmi objemné a vyžadovaly hodně energie (nezapomeňte, že katoda se musela zahřívat). Zde je například jeden z prvních rozhlasových přijímačů z roku 1914:

Tuto ovládací mřížku můžeme použít nejen k seřízení, ale také jako spínač. Pokud na řídicí elektrodu přivedeme záporný náboj, začne odpuzovat elektrony emitované z katody a obvod se otevře. To byl základ binárního kódování – nula a jedna. Žárovky nám otevřely cestu ke stavbě počítačů. Na stavbu jednoho z prvních univerzálních počítačů na světě, ENIAC, bylo v roce 1945 použito asi 18 tisíc elektronek! Počítač vážil 30 tun a zabral celou místnost, nemluvě o enormním množství elektřiny, které spotřeboval. Lampy pravidelně vypalovaly a vyžadovaly výměnu. Tento stroj však dokázal za 30 minut zvládnout stejné množství výpočtů trajektorie dělostřelecké palby, které by člověku zabralo den. Nyní se podobný problém řeší ve stejných Angry Birds a čip o velikosti zrnka písku si s tím poradí a to vše díky tranzistoru. Moderní mikroprocesory obsahují miliardy tranzistorů, z nichž každý plní přesně stejnou funkci jako lampa.

Pojďme zjistit, jak to funguje.

Za prvé, pokud jste nečetli předchozí příspěvek, důrazně doporučuji, abyste si jej nejprve přečetli, protože zbytek své prezentace budu zakládat na předpokladu, že čtenář zná pojmy PN přechod. Stručně řečeno, přísady se zavádějí do polovodičů s pravidelnou krystalovou mřížkou (proces se nazývá „doping»), poskytující buď další elektrony ve vodivém pásmu (polovodič N-typ), nebo naopak – vytvoření jejich deficitu (díry) – polovodič P-typ.
K vytvoření diody jsme potřebovali 2 druhy polovodičů vzájemně propojených. Co když ale nezůstaneme jen u toho a přidáme další polovodič? Hurá! Postavili jsme tranzistor, nebo přesněji, bipolární tranzistor (ale o tom, jaké jsou, si povíme později):

Všimněte si, že v závislosti na pořadí střídajících se vrstev polovodičů můžeme postavit 2 typy tranzistorů – PNP и NPN. Princip fungování obou typů je přibližně stejný, pouze se liší nosiče náboje a způsob jejich ovládání, takže si zatím jen zapamatujte tuto informaci a k ​​rozdílu mezi nimi se vrátím o něco později.

Uvažujme tranzistor prvního typu NPN. Nosiče náboje v něm jsou elektrony, takže na obrázku níže nejsou díry zobrazeny (ale pamatujte, že tam jsou!). V podstatě to připomíná “sendvič” složený ze dvou diod a má tedy dva NP a PN přechody, takže ať projdeme proud kterýmkoliv směrem, jeden ze dvou přechodů bude de facto vždy dioda s obráceným zapojením a takové zařízení obvodem proud nepropustí.

Pokud však na vnitřní vrstvu aplikujeme další kladný náboj, například připojením dalšího zdroje energie, jako na obrázku s napětím dostatečným k překonání inverzní vrstvy, dostaneme následující obrázek:

co se to tu děje? Podívejte se na oblast zakroužkovanou červeně. V podstatě vidíme ilustraci z předchozího dílu – diodu s přímým zapojením. Záporně nabitý terminál (vlevo) uvolní velké množství elektrony, což posune další elektrony dále. Skákáním z díry do díry se část elektronů vrhne na místo, kde je připojen kladný pól baterie (mimochodem, tento výstup tranzistoru je tzv. Báze), a tak dále. Tato cesta je znázorněna tenkou modrou tečkovanou šipkou.

Záporně nabitý terminál vstupuje N-region stále více elektronů (terminál, ze kterého se uvolňují nosiče náboje (v našem případě – elektrony) se nazývá Vysílač, z angličtiny vydávat – uvolnit, vydat) a většina z nich pokračuje v cestě. Jsou přitahovány kladným nábojem spodní baterie – ke kladně nabité svorce, která se v našem případě nazývá Sběratel (z angličtiny. sbírat – shromáždit). Jejich cesta je znázorněna tlustou modrou tečkovanou šipkou.

Aby nedošlo k záměně, zde a níže vám připomenu, že proudem nemáme na mysli pohyb záporných elektronů po obvodu, ale pohyb kladných nábojů. Proč?

Děkuji za to, musím říct Benjamin Franklin (ano, ano, právě k tomu). Byl to on, kdo zavedl dnes obecně přijímané označení elektricky nabitých stavů „+“ a „-“. V té době nevěděli o elektronu, ve skutečnosti bylo úplně jedno, který typ náboje se nazývá kladný a který záporný. Ale právě od něj proudí proud v obvodu z kladného pólu zdroje energie k zápornému, ačkoli se elektrony pohybují opačným směrem. Proto, ačkoli nosič náboje v NPN V tranzistoru jsou elektrony, předpokládá se, že elektrický proud jde opačným směrem.
Vzhledem k počtu přecházejících nosičů náboje (elektronů). emitor к kolektor mnohem více než na cestě od emitoru k bázi jsme my, majíce slabý proud na bázi, dostali jeho zesílení na kolektoru.

Samozřejmě, pokud dynamicky měníme napětí na základně, proud na kolektoru se bude synchronně měnit, což je základem základního principu zesílení signálu. Jak je vidět, analogie s bránou, u které malá změna tlaku umožnila regulovat tlak hlavního proudu ve větším rozsahu, je velmi zdařilá. Pokud to porovnáme s triodovou lampou, je snadné vidět analogii: emitor zde funguje jako katoda, kolektor funguje jako anoda a základna funguje jako řídicí mřížka.

Je čas pochopit rozdíl mezi tranzistory PNP a NPN.

V NPN tranzistoru je kladné napětí aplikováno na kolektor, aby se vytvořil proud z kolektoru do emitoru. V PNP tranzistoru je kladné napětí aplikováno na emitor, aby se vytvořil proud z emitoru do kolektoru. V NPN proud teče z kolektoru (C) do emitoru (E):

A v PNP proud teče z emitoru do kolektoru:

Je zřejmé, že směry polarity proudu a napětí v PNP a NPN jsou vždy opačné. Tranzistory NPN vyžadují kladné napájení s ohledem na společné svorky, zatímco tranzistory PNP vyžadují záporné napájení.

Zde jsou tři jednoduchá pravidla k zapamatování o různých typech bipolárních tranzistorů:

1) PNP tranzistory se otevírají napětím záporné polarity, NPN – kladným.
2) PNP procházející proud z emitoru do kolektoru, NPN – naopak.
3) U NPN tranzistorů jsou hlavními nosiči náboje elektrony a u PNP jsou to díry, které jsou méně pohyblivé (mobilita je rychlost přenosu výkonu), a proto NPN tranzistory obecně spínají rychleji.

Tranzistory s efektem pole (FET)
Dalším typem tranzistoru je tranzistor s efektem pole (FET). V podstatě plní stejnou funkci jako bipolární, ale jejich princip fungování je poněkud odlišný. Existuje mnoho druhů moderních tranzistorů s efektem pole a v tomto příspěvku není dostatek času ani prostoru je všechny popsat, takže se zaměřím na typ používaný v moderních mikroprocesorech. V ruštině se jim říká MOSFETy s efektem pole (Metal-Oxide-Semiconductor), ale běžnější je anglická zkratka MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), jak již název napovídá, řízení proudu v tranzistoru s efektem pole se neprovádí pomocí světelného pole, které reguluje napětí, tedy reguluje napětí. polovodič typu a zaveďte na něj dva proužky vysoce dopovaného polovodiče typu N (připomenu, že v polovodiči typu N nečistoty vytvářejí nadbytek volných elektronů a u typu P jejich deficit):

Zde se sluší říci, že i v P-regionu, kde převažují díry, stále nějaké jsou setkávají se volné elektrony, schopný vést proud, kterému budeme říkat menšinové nosiče náboje (Česky menšinových dopravců). Proč je to důležité, vysvětlím o něco později.
Jak již víme, na hranici PN přechodů se volné elektrony z N-oblastí rekombinují s dírami v oblasti P a tvoří jakousi bariéru, kde nejsou ani díry, ani volné elektrony, tzv. inverzní vrstva (Česky vyčerpávající region).

Pokud se nyní přihlásíte k nám sub-tranzistor napětí, pak se elektrony z N oblastí budou driftovat směrem ke kladně nabité svorce a díry se od ní naopak vzdalují, inverzní vrstva se ještě zvětší, a to znamená, že proud takovým zařízením neprojde.

Jak tedy zajistíme, aby proud protékal naším zařízením? Nejprve pochopíme (nebo si zapamatujeme), jak funguje kondenzátor. Ve své nejjednodušší formě jsou kondenzátorem dvě vodivé desky s dielektrikem (izolátorem) mezi nimi.

Pokud jej připojíte ke zdroji stejnosměrného proudu, kladný vývod baterie začne přitahovat volné elektrony v připojené elektrodě a tyto elektrony se nakonec začnou hromadit na elektrodě na druhé straně izolátoru. Náboje nahromaděné tímto způsobem vytvoří elektrické pole mezi elektrodami.

Vezměme nyní jednu desku tohoto kondenzátoru a místo druhé použijeme náš substrát subtranzistor. Elektrony z kovové desky začnou migrovat směrem k polovodičovému substrátu a samotná deska začne získávat kladný náboj, v důsledku čehož se mezi horním a spodním kontaktem vytvoří elektrické pole (stejně jako u kondenzátoru). Pamatujte, žádal jsem vás, abyste si pamatovali, že i v P-oblasti jsou volné elektrony (menšinové nosiče náboje) – tak tady se hodily. Tyto elektrony budou přitahovány k horní kladně nabité elektrodě. Oblast přímo pod kladně nabitou elektrodou bude v důsledku toho vyplněna elektrony:

Přímo pod oblastí elektronové saturace se vytvoří nová inverzní vrstva, sestávající z rekombinovaných elektronů a děr. Tato konfigurace „rozbíjí“ inverzní vrstvu mezi P-oblastmi a nakonec umožňuje proudění touto oblastí.

Hurá! Shromáždili jsme své vlastní MOSFET tranzistor. Levá elektroda na obrázku se nazývá původu (Česky zdroj), elektroda kondenzátoru ve středu je brána (Česky brána), respektive ten správný, dřezu (Česky odtékat). Názvy odrážejí roli těchto kontaktů v pohybu elektronů přes tranzistor. Se znalostmi, které již máme k dispozici, je snadné pochopit, že regulací proudu v obvodu od brány k bázi budeme regulovat i průchod elektronů ze zdroje do odpadu.

Zdálo by se, proč potřebujeme takové komplikace, když už máme bipolární tranzistory?
Snad nejdůležitější výhodou tranzistorů s efektem pole je to, že vyžadují mnohem méně energie k udržení režimu vedení, a proto generují méně tepla. A když máte miliardy těchto věcí kompaktně umístěných na integrovaném obvodu, problémy s odvodem tepla a snižováním spotřeby energie se stávají velmi důležitými.

Tato skutečnost má další výhodu navíc: tranzistory s efektem pole jsou mnohem odolnější proti šumu, jelikož proud hradlem tranzistoru prakticky neprochází, řídicí obvod na straně hradla je izolován od výstupního obvodu na straně kolektoru a zdroje.

Tranzistory s efektem pole jsou také schopny poskytovat mnohem větší proudový zisk a jsou schopny mnohem rychleji přepínat mezi vodivými a nevodivými stavy, a proto mohou pracovat na vyšších frekvencích než bipolární tranzistory.
Ale kromě výhod mají tranzistory s efektem pole také nevýhody. Zejména struktura tranzistoru s efektem pole se začne zhoršovat při 150 °C, zatímco bipolární tranzistory vydrží až 200 °C. Navíc při nízké spotřebě tranzistorů s efektem pole na vysokých frekvencích (od cca 1,5 GHz) začíná jejich spotřeba exponenciálně narůstat. To je mimochodem jeden z hlavních důvodů zpomalení růstu rychlosti mikroprocesorů a výrobci přešli na strategii vícejádrových procesorů.
***

Nejtěžší na přípravě tohoto příspěvku bylo rozhodnout, co je důležité, o čem stojí za to psát a co lze přeskočit. Téma je tak široké, že vás předem žádám o odpuštění, že jsem některé věci buď záměrně nebo omylem vynechal.
Ale teď chápu, že jsem to nedokončil a budu muset „vidět“ pokračování. Minimálně bych rád pohovořil o moderních technologiích výroby mikroprocesorů a o tom, jak zákony kvantové mechaniky stojí výrobcům v cestě, a také o tom, jak koneckonců lidé naučili počítače počítat pomocí tranzistorů.
Ale pro dnešek vám děkuji za pozornost, to je zatím vše, co mám.