Понять, для чего нужен транзистор, лучше всего поможет такая аналогия: если маленькая клетка — кирпичик в живом организме, то транзистор — кирпич в цифровой революции. Без него все технологические чудеса, используемые нами каждый день (мобильные телефоны, компьютеры, автомобили), значительно отличались бы от современных, а то и вовсе не существовали бы.
Исторический обзор
Прежде чем были изобретены полупроводниковые элементы электрических схем, для тех же целей конструкторы использовали вакуумные лампы и механические выключатели. Лампы были далеки от идеала. Им требовался разогрев перед началом работы, они не могли похвастаться надёжностью ненадёжностью и компактностью, потребляли слишком много энергии. Все приборы, начиная от телевизоров до ранних компьютеров, были созданы на их основе.
После Второй мировой войны учёные активно искали альтернативу лампам и нашли ответ в работах Юлия Лилиенфельда конца 1920-х годов. Этот американский физик польского происхождения подал на патентование трёхэлектродное устройство, изготовленное из сульфида меди. К сожалению, нет доказательств, что он на самом деле сделал рабочий прибор. Но его исследования помогли создать то, что сегодня называется полевым транзистором.
Через 20 лет после Лилиенфельда компания Bell остро нуждалась в чём-то более совершенном для своих систем связи, чем лампы. Она собрала звёздную команду научных умов для работ по исследованию заменителей вакуумных элементов, в числе группы были:
- Джон Бардин;
- Уолтер Браттейн;
- Уильям Шокли.
В 1947 году Шокли был директором транзисторного исследования в Bell, Браттейн слыл авторитетом в физике твёрдого тела, а Бардин — инженером-электриком и физиком. В течение года они удачно экспериментировали с германием, и вскоре после этого Шокли усовершенствовал их идеи, разработав транзисторный переход. В следующем году Bell объявила всему миру об изобретении рабочего полупроводникового триода. В 1956 году команда учёных за это открытие получила Нобелевскую премию по физике.
Понимание масштабов изобретения и того, зачем нужны транзисторы, невозможно без осознания такого факта: эти маленькие устройства позволили сделать один из самых больших технологических скачков человечества. И это не преувеличение — они действительно изменили ход истории.
Упрощённая схема работы
Транзисторы — устройства, контролирующие движение электронов, а следовательно, электрический ток. Для понимания того, что делает транзистор, лучше всего подойдёт аналогия с водяным краном и потоком жидкости, но, в отличие от последнего, они не только могут пропустить или перекрыть поток, но также способны контролировать его количество. Применение транзисторов чрезвычайно широко и основано на том, что в качестве электронного компонента он может выполнять две разные функции:
Усилителя. В этом качестве он принимает малые электрические токи на одном выводе и создаёт значительные токи на выходной цепи. Это свойство используется в электронике для усиления сигналов, благодаря ему транзисторы вытеснили ламповые триоды.- Выключателя. В зависимости от наличия или отсутствия сигнала на управляющем электроде он способен замкнуть или разомкнуть цепь. Так работают компьютерные чипы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может быть управляемо включён или выключен. Поскольку все они в схеме находятся только в одном из двух состояний, то могут являться хранителями двоичной информации — ноля или единицы. ЧИП из миллиардов транзисторов способен хранить миллиарды нолей и единиц.
Базовая структура
Корпус, изоляция, полупроводниковый кристалл, металлические выводы — вот из чего состоит транзистор. Различное легирование полупроводника позволяет создать два типа его структуры:
- p-тип;
- n-тип.
Сам кристалл представляет собой бутерброд из этих двух типов, расположенных так, что два одинаковых слоя сэндвича содержат между собой противоположные. В зависимости от их комбинации транзистор называют либо типом p-n-p, либо n-p-n. Названия трёх выводов, соединённых с соответствующими слоями, являются общими для всех видов биполярных и полевых транзисторов соответственно и отражают их назначение (в скобках указаны термины, применяемые в отношении полевых):
- база (затвор);
- коллектор (сток);
- эмиттер (исток).
База (затвор) принимает слабый управляющий сигнал, а сильный коллекторный ток (от истока к стоку) протекает между двумя другими контактами. Последний меняется в зависимости от тока базы. Внешне транзистор выглядит как радиоэлектронный компонент с тремя выводами.
Виды и типы
Время изобретения транзисторов не было случайным. Для правильной работы их кристаллы требуют чистых полупроводниковых материалов. Именно после Второй мировой войны прогресс технологии в получении германия, а также достижения в области легирования позволили получать материалы, пригодные для серийного изготовления полупроводниковых приборов.
Позже вместо германия в коммерческой электронике стали использовать кремний. Полупроводники на его основе более надёжны и доступны, чем германиевые. Кремниевые подходят для компьютерного производства. В чипах транзисторы не изолированы как отдельные компоненты, а являются частью того, что называется интегральной схемой, и располагаются на едином кристалле полупроводника вместе с другими элементами — конденсаторами и резисторами. Современные кремниевые устройства в составе микрочипа настолько малы, что их размеры измеряются в нанометрах.
Эволюция материалов для изготовления этих приборов не стоит на месте. Благодаря последним достижениям основой триодов в XXI веке может стать материал под названием графен. Он переносит электроны гораздо быстрее, чем кремний, и может стать основой компьютерных чипов, которые на порядки производительнее устроенных на базе кремния полупроводников.
То, какими бывают транзисторы, не исчерпывается их делением по материалу кристалла. Существуют две большие группы, отличающиеся способами управления:
- полевые;
- биполярные.
Слово «полевые» означает, что затвор управляется электрическим полем, то есть для изменения тока между стоком и истоком достаточно изменить напряжение. А в биполярных реакции коллекторного тока добиваются путём изменения тока на базе. Биполярные устройства массово использовались в 1960−70 годах и востребованы в наше время в качестве элементов аналоговых схем в основном благодаря тому, что они просты в изготовлении и обладают большой линейностью. Полевые захватили почти всю долю рынка цифровых схем.
Существуют и другие типы транзисторов. Их каталогизируют не только по принципу работы, но и по мощности, рабочим частотам, структуре, применению и другим показателям. Развитие этих устройств продолжается без снижения темпа. Например, учёными из Южной Кореи недавно создан p-n переход, изготовленный из одной молекулы бензола. Современные чипы производят много неиспользуемого тепла. В этой связи у молекулярных транзисторов может быть большое будущее — они способны стать ключом к повышению энергоэффективности.
Независимо от того, в каких направлениях будет осуществляться развитие технологий, очевидно, что благодаря активному исследованию способов совершенствования транзисторов компьютеры станут быстрее, дешевле и надёжнее, а сотовые телефоны — ещё легче и компактнее. Эти маленькие устройства продолжают менять технологический ландшафт и в конечном счёте наше общество в целом. Эта замечательная судьба для простого устройства, изобретённого более 60 лет назад.
