Куток

Обкладинка для допису Анатомія комп'ютера. Транзистор
Kir для Ретро Куток

Додано

Анатомія комп'ютера. Транзистор

Передмова

Практично всім відомо, що таке процесор. Хіба що ті, хто не мали протягом життя жодного стосунку до комп'ютерів, ще спробують вгадати призначення. Мозок комп'ютера, контролер всіх процесів — це все про цей маленький пристрій. Він і працює як мозок, тобто приймає команди, обробляє, і передає далі.

Крім процесору, в комп'ютері наявні оперативна пам'ять (RAM), материнська, звукова плати, блок живлення, і це я ще перерахував тільки те, що безпосередньо всередині комп'ютера. Не зачіпаючи пристрої введення, виведення, передачі даних, як і все інше, з чим працює комп'ютер.

Але під цим рівнем існує ще один. Всі перелічені "речовини" мають "молекули", які також мають в собі різноманітні "атоми". Про один з атомів, транзистор, ми і поговоримо.

Це здебільшого технічна стаття, яка ставить за мету узагальнити і пояснити принципи роботи цієї чудо-деталі. Щоб легше орієнтуватися в статті, зазначу, що:

  • Прилади, які мають безпосередній стосунок до теми, їх пояснення подано у виносках.
  • Речі, які не мають безпосереднього стосунку, але згадувані в тексті, мають посилання на Wikipedia або інший ресурс.
  • В статті представлено одразу декілька областей фізики і техніки, які переплітаються один з одним: класична електродинаміка, радіоелектроніка, електроніка тощо.

Винайдення транзистора

Джон Бардін, Волтер Браттейн і Вільям Шоклі винайшли перший транзистор 23 грудня 1947 року. Згодом, вже 1948 р., перелічена трійка запатентувала винахід.

Всі троє стали лауреатом Нобелівської премії з фізики 1956 р. «за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту». Джон Бардін 1972 р. став двічі лауреатом Нобелівської премії за «мікроскопічну теорію надпровідності».

My most important inventive breakthrough came not while I was trying to invent a transistor but while designing an experiment to diagnose incisively the surface phenomena of point-contact transistors. The structure I devised, I suddenly realised, was itself a transistor. It was patented as a junction transistor. I was disconcerted to realise that for at least a year I had known all the concepts needed for the invention but had not put them together until the point-contact transistor provided the challenging stimulus. 1

— Вільям Шоклі, 1972

Image description

Як ж я люблю БТС, ось вони, зліва направо: Бардін, Шоклі, Браттейн в лабораторії

Оскільки пристрій працює за класичною електродинамікою, пояснювати його роботу слід відповідними принципами, у що я поглиблюватися особливо не буду. Хоч це і тісно пов'язано ще з шкільною фізикою, тут залучається складніша. Для прикладу правила Кірхгофа.

Важливо зазначити, що існує деяка поступова еволюція транзисторів, і найперший називався точковим. І, звичайно, сам він залежав від складових, тож винайдення нових комбінацій, поєднань стало запорукою розвитку транзисторів.

Трішки теорії

Отже, першим поштовхом до власне винайдення цієї маленької деталі було створення кремнієвого (сіліцій, Si) кристалічного детектора2 Грінліфом Пікардом. Також перші транзистори робили з залученням германію. Інший вчений, Вільям Ікклз встановив, що ці детектори можуть бути використані для генерації коливань та підсилення сигналів, так як у певних умовах детектор має від'ємний диференційний опір.

Простіше кажучи, детектор демонструє властивість, у якій збільшення напруги на ділянках кола призводить до зменшення сили електричного струму через нього, тобто створює негативний опір. Щоб краще орієнтуватися, сила струму це I, напруга це V, а опір це R, адже саме опір має таку характеристку. Отже, ΔV/ΔI = R < 0.

Узагальнення

Отже, транзистор — напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дозволяє керувати струмом, що протікає крізь нього, за допомогою зміни вхідної напруги або струму, поданих на базу, або інший електрод. Невелика зміна вхідних величин, може призводити до суттєво більшої зміни вихідної напруги та струму. Це практично основний елемент сучасної електроніки.

Image description

За будовою та принципом дії, транзистори поділяють на два великі класи: біполярні транзистори (БТ) й польові транзистори (ПТ). До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.

У БТ термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем носіїв заряду, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд.

ПТ за принципом дії дуже схожий на водопровідний кран. Носії заряду протікають через канал, обмежений з одного боку підкладкою, в якій не може протікати струм, бо в ній немає носіїв заряду, та областю збіднення, що перешкоджає вільному протіканню носіїв. Шириною області збіднення можна керувати, подаючи до затвора напругу.

Транзистор всередині наочно

Image description

Видима частина транзистора складається з корпусу та трьох «ніжок»-виводів (проте існують інші різновиди, у яких їх кількість більша за три). Корпус виготовляють з кераміки, металевих сплавів або пластмаси. Вже згадувалося, що існують два класи транзисторів, біполярний та польовий. Тут розглядатиметься перший.

Усередині корпусу БТ розміщується три шари напівпровідника, два з яких розташовані по краях і мають однаковий тип провідності (p або n), це колектор і емітер. Третій шар розташований між першими двома та відрізняється типом провідності від своїх сусідів. Це – основа.

Таким чином, транзистори можна порівняти з водопровідним краном, де подача і злив води – це емітер/джерело і колектор/стік транзистора, а рукоять вентиля - це його база/затвор.

Розташування напівпровідників визначає тип транзистора: p-n-p чи n-p-n. На кожен із напівпровідників нанесений металевий шар. За допомогою цього шару та дротяних зв'язків напівпровідники з'єднані з виводами транзистора. Однак не варто забувати, що розташування виводів може змінюватись, залежно від моделі транзистора.

На зображенні – біполярний транзистор n-p-n типу.

Вольт-амперна характеристика

Тепер варто перейти до складнішої теорії, щоб представити бачення транзистора як цеглинки електричного кола.

Вольт-амперна характеристика або вольт-амперна крива (крива струму-напруги) скор. ВАХ — це співвідношення, зазвичай представлене у вигляді діаграми або графіку, між електричним струмом, що проходить через ланцюг, пристрій або матеріал, і відповідною напругою або різницею сил на це.

Дану річ можна визначити також, як залежність падіння напруги на пристрої від струму, що в ньому протікає. ВАХ зображується зазвичай у вигляді графіку, в якому напруга відкладається вздовж осі абсцис, а струм — вздовж осі ординат.

В електроніці залежність між постійним струмом (DC) через електронний пристрій і напругою постійного струму на його клемах і називається вольт-амперною характеристикою пристрою. Інженери-електроніки використовують криві, щоб визначити основні параметри пристрою та змоделювати його поведінку в електричному ланцюзі. Ці характеристики також відомі як I–V криві, посилаючись на стандартні символи струму та напруги.

Image description

Вище подані ВАХ чотирьох приладів: резистора з великим опором, резистора з малим опором, діода з переходом P–N і акумулятора з ненульовим внутрішнім опором. По горизонтальній осі відкладено падіння напруги, по вертикальній – струм.

Післямова

Оці маленькі штучки на платах насправді мають ледве не визначену роль в електроніці. Не буде перебільшенням сказати, що на цих маленьких частиночках тримається кожен прилад, бо без них він не міг б працювати. Більш того, будь-хто знайомий з технікою, міг цікавитися подібними деталями, а то і займатися паянням. Не дивлячись на теорію, подібний ґрунтовний підхід конче необхідний, бо науково-популярно дану тему складно поясниш.


Джерела і додаткова інформація


  1. Переклад: Головний творчий прорив відбувся не тоді, коли я намагався винайти транзистор, а коли я конструював установку для експериментів з поверхневими явищами в точкових транзисторах. Раптом до мене дійшло, що експериментальна структура і є транзистор. Саме вона й була запатентована як площинний транзистор. Я був пригнічений тим, що, знаючи все необхідне для цього винаходу, я цілий рік не міг з'єднати частини цілого — до тих пір, поки не з'явився подразник у вигляді точкового транзистора. 

  2. Детектор — пристрій (вузол) в радіоприймачі, вимірювальному приладі тощо, що служить для такого перетворення електричних коливань, в результаті якого з них виділяються складові низької частоти (детектування електричних коливань). Пристрій у радіоприймачі для перетворювання коливань високої частоти в коливання низької частоти.  

Топ коментарі (2)

Звернути
 
jorest profile image
Орест Лук'янчук

Дяка, дуже цікаво дізнатись по частинкам як працює той чи інший прилад.

Звернути
 
lysandus profile image
Kir

Насправді то достатньо специфічна тема, ще й на такому здебільшого розважального ресурсу, де не мали б бути подібні "підручники" з фізики) самий верх це про картриджи, нетехнік ще може зацікавитися

Куток

Підписуйтеся на наші соціальні мережі:
Telegram
Twitter
Facebook


Тепер у нас також є Youtube канал!