Πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ;

Ένα τρανζίστορ λειτουργεί ελέγχοντας τη ροή του ρεύματος μέσω ενός υλικού ημιαγωγού. Το ρεύμα ελέγχεται από την τάση που εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ. Τα τρανζίστορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διακόπτες ή ενισχυτές. Όταν χρησιμοποιείται ως διακόπτης, το τρανζίστορ μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί, ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται στη βάση. Όταν χρησιμοποιείται ως ενισχυτής, το τρανζίστορ μπορεί να ελέγξει ένα μεγάλο ρεύμα με μικρή τάση.

Το τρανζίστορ είναι μια από τις δύο σημαντικότερες εφευρέσεις του περασμένου αιώνα. Το άλλο είναι, φυσικά, το ανάκλιντρο. Η έλευση του τρανζίστορ ώθησε αυτό που τώρα ονομάζεται ηλεκτρονική επανάσταση. Χωρίς την εφεύρεση του τρανζίστορ, οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές από τις οποίες είστε τόσο απελπιστικά εξαρτημένοι δεν θα υπήρχαν. Τα πιο απαραίτητα τεχνολογικά θαύματα της σύγχρονης εποχής βασίζονται στο τρανζίστορ – προσωπικοί υπολογιστές, τηλεοράσεις, smartphone, tablet, phablets, φορητοί υπολογιστές, δρομολογητές και συσκευές μασάζ ποδιών. Γεμάτα με δισεκατομμύρια από αυτά, τα τρανζίστορ είναι για τις ηλεκτρονικές συσκευές ό,τι τα κύτταρα για το σώμα μας. Πώς, όμως, ένα όργανο πιο λεπτό από μια ανθρώπινη τρίχα καταφέρνει να σηκώσει ολόκληρες βιομηχανίες στους αδύναμους ώμους του;

Ημιαγωγοί

Αρχικά, θα πρέπει να μάθουμε από τι είναι κατασκευασμένα τα τρανζίστορ. Η γνώση της ανατομίας του θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε τη λειτουργία του με μεγαλύτερη ευκολία. Οι ημιαγωγοί είναι βασικά οι αμφιβολίες του υλικού κόσμου. Δεν είναι ούτε υπερβολικά φιλόξενοι όταν πρόκειται για φιλία με τα ηλεκτρόνια, όπως οι αγωγοί, ούτε είναι επιφυλακτικοί και δεν ανταποκρίνονται απέναντί ​​τους σαν εσωστρεφείς μονωτές. Η αγωγιμότητά τους βρίσκεται ανάμεσα σε αυτή των αγωγών και των μονωτών. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο και το γερμάνιο.

Οι ημιαγωγοί μεταδίδουν μόνο όταν θερμαίνονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η θερμική ενέργεια υπερνικά την αδύναμη ενέργεια που δεσμεύει χαλαρά τα ηλεκτρόνια της με τα άτομά τους, ελευθερώνοντάς τα έτσι, και κάνοντας έτσι το υλικό αγώγιμο. Ωστόσο, μια πιο βολική εναλλακτική είναι η αλλαγή της ατομικής δομής του υλικού και η ενίσχυση της αγωγιμότητάς του με έγχυση ακαθαρσιών, μια διαδικασία γνωστή ως ντόπινγκ. Αυτά τα υλικά μόνο ημι -αγώγιμο επειδή ο όγκος των απελευθερωμένων ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρότερος από τον όγκο των ελεύθερων ηλεκτρονίων που συρρέουν στην επιφάνεια των αγωγών.

Η μερική αγωγιμότητα, ωστόσο, καθιστά το ρεύμα εξόδου του ευαίσθητο σε χειρισμούς ή «ελεγχόμενο». Όπου τα ηλεκτρόνια αναβλύζουν από έναν αγωγό σε τεράστιους όγκους, όπως το νερό ρέει κάτω από ένα φράγμα, τα ηλεκτρόνια σε έναν ημιαγωγό συμπεριφέρονται περισσότερο σαν νερό που αντλείται από μια βρύση. Η βρύση μπορεί να σφίξει ή να χαλαρώσει για να ρυθμίσει την ποσότητα του νερού που ρέει μέσα από αυτήν. Αυτή ακριβώς είναι η αρχή λειτουργίας ενός τρανζίστορ.

Τι είναι ένα τρανζίστορ;

Ας προχωρήσουμε περαιτέρω με την αναλογία βρύσης. Η λειτουργία μιας βρύσης αποτελείται από τρία μέρη:μια δεξαμενή νερού, τον σωλήνα μέσω του οποίου εξέρχεται το νερό και μια λαβή που μας επιτρέπει να ελέγχουμε τον όγκο που εξέρχεται. Ομοίως, ένα τρανζίστορ σχηματίζεται με την προσκόλληση τριών ημιαγωγών:μια δεξαμενή ηλεκτρονίων, γεμάτη από υπερβολικό ντόπινγκ, έναν σωλήνα που είναι μέτρια ντοπαρισμένο και μια λαβή που -μπορεί κανείς εύλογα να συμπεράνει- δεν έχει καθόλου ηλεκτρόνια. Το ρεύμα από τη δεξαμενή ρέει μέσω του σωλήνα όταν περιστρέφεται η λαβή. Η έκταση της περιστροφής καθορίζει την ποσότητα του ρεύματος που ρέει μέσω του σωλήνα. Εδώ, η περιστροφή θα σήμαινε την παροχή της λαβής με μικρή τάση ή ρεύμα.

(Πιστωτική φωτογραφία :Επαγωγικό φορτίο / Wikimedia Commons)

Τα τρανζίστορ μπορούν βασικά να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες:τρανζίστορ διασταύρωσης και τρανζίστορ εφέ πεδίου. Η δεξαμενή, ο σωλήνας και η λαβή στα τρανζίστορ διακλάδωσης ονομάζονται πομπός, συλλέκτης και βάση, αντίστοιχα. Ο συλλέκτης συμβολίζεται με «n+», υπογραμμίζοντας ένα πλεόνασμα αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια). Ομοίως, ο πομπός συμβολίζεται με "n", υπογραμμίζοντας μια μέτρια πυκνότητα ηλεκτρονίων, ενώ η βάση συμβολίζεται με "p", υπογραμμίζοντας την απουσία ηλεκτρονίων ή ένα πλεόνασμα θετικά φορτισμένα σωματίδια, που ονομάζονται τρύπες. Ο όρος διασταύρωση αναφέρεται στις διασταυρώσεις που σχηματίζονται μεταξύ αυτών των τριών μπλοκ.

Από την άλλη πλευρά, τα τρανζίστορ εφέ πεδίου διαμορφώνονται αρκετά διαφορετικά. Αποτελείται όχι από τρία, αλλά από δύο στρώματα τοποθετημένα πάνω στο άλλο. Τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από τα σπλάχνα του ενός στρώματος, που ονομάζεται κανάλι, ενώ το άλλο στρώμα, που ονομάζεται πύλη, εκτελεί τη λειτουργία της λαβής. Η τάση της πύλης ελέγχει την ισχύ του ρεύματος που ρέει μέσα από το κανάλι. Η διαφορετική αρχιτεκτονική του δίνει αρκετά διαφορετικές ιδιότητες αντίστασης, αλλά η βασική λειτουργία των δύο κατηγοριών τρανζίστορ είναι ουσιαστικά η ίδια – έλεγχος ισχυρού ρεύματος με ασθενή τάση.

Υπάρχουν δύο βασικές λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει ένα τρανζίστορ. Μπορεί να λειτουργήσει είτε ως διακόπτης είτε ως ενισχυτής. Όταν λειτουργεί ως διακόπτης, η βρύση επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μέσω του σωλήνα της μόνο όταν η λαβή της τροφοδοτείται με μια ορισμένη ποσότητα τάσης. Όταν παρέχεται τάση μικρότερη από αυτό το όριο, η βρύση πνίγει οποιοδήποτε ρεύμα μπορεί να διαρρέει. Έτσι δημιουργούνται οι δυαδικοί αριθμοί. Κάθε bit "1" ή "0" είναι είτε μια ανοιχτή βρύση της οποίας το μέγεθος του ρεύματος τυποποιείται ως "1", είτε μια κλειστή βρύση, που μεταφράζεται σε "0". Στη συνέχεια, η ακολουθία των δυαδικών ψηφίων χειρίζεται από μικροεπεξεργαστές για την υλοποίηση μυριάδων λειτουργιών.

Μπιτ "0" και "1" σύμφωνα με την αναλογία βρύσης μας.

Σύμφωνα με το νόμο του Moore, ο αριθμός των τρανζίστορ που γεμίζουν έναν μικροεπεξεργαστή πρέπει να διπλασιάζεται κάθε χρόνο. Η ίδρυση των επεξεργαστών είδε αρχικά ένα εκατομμύριο τρανζίστορ κολλημένα πάνω τους, ένας αριθμός που τώρα, σύμφωνα με το νόμο του Moore, έχει κλιμακωθεί σε τρισεκατομμύρια! Αυτό το απίστευτο επίτευγμα δεν θα ήταν δυνατό αν οι ημιαγωγοί δεν είχαν δείξει την τάση να κλιμακώνονται τόσο εύκολα. Η τεράστια κλιμάκωσή τους μας επέτρεψε να συρρικνώσουμε έναν υπολογιστή, ένα τηλέφωνο, ένα ραδιόφωνο, ένα GPS, μια κονσόλα παιχνιδιών και τόσα άλλα πράγματα σε μια ενιαία συσκευή – τη συσκευή στην οποία πιθανότατα διαβάζετε αυτήν τη στιγμή.

Η τεράστια επεκτασιμότητα των ημιαγωγών μας επέτρεψε να συρρικνώσουμε έναν υπολογιστή, ένα τηλέφωνο, ένα ραδιόφωνο, ένα GPS, μια κονσόλα παιχνιδιών και αμέτρητα άλλα εργαλεία σε μια ενιαία συσκευή - το smartphone. (Φωτογραφία:GaudiLab/Fotolia)

Όταν λειτουργεί ως ενισχυτής, αντλεί μεγάλο ρεύμα από τη δεξαμενή καθώς η λαβή απελευθερώνεται προοδευτικά, έτσι ώστε μια μικρή ποσότητα ρεύματος ελέγχει μεγάλη ποσότητα ρεύματος — το ρεύμα εξόδου είναι ευθέως ανάλογο με το ρεύμα εισόδου. Οι ενισχυτές χρησιμοποιούνται συχνά σε αίθουσες όπου τα μικρόφωνα αυξάνουν τη φωνή του ομιλητή. Οι ενισχυτές είναι πανταχού παρόντες στις τεχνολογίες επικοινωνίας, όπου τα σήματα που εξασθενούν λόγω του ταξιδιού μεγάλων αποστάσεων συλλαμβάνονται συνεχώς και ενισχύονται για να διασφαλίζεται η ακεραιότητά τους. Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους ημιαγωγούς και να βρείτε μια εξαίσια οπτική εξήγηση για το πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ εδώ, ενώ απολαμβάνω ένα μασάζ ποδιών που ξαπλώνω στην ανάκλινή μου, περνώντας χαλαρά στο How To Stop Being Lazy.