Главная arrow Интегральные микросхемы arrow Принцип работы транзистора
Как начинался компьютер
Компьютерная революция
Двоичный код
Разработки военных лет
Интегральные микросхемы
Микрокомпьютер
Персоны
Сеть
Язык компьютера
Развитие ПО
Гибкие системы
Средства разработки
Информатика
Вычислительная наука
Операционные системы
Искусственный интеллект
Предыстория
Поиск
Знания и рассуждения
Логика
Робототехника
 

 
Принцип работы транзистора Печать
1951 г. Шокли продемонстрировал миру первый надежный транзистор, представлявший собой трехслойный гераниевый «сэндвич» толщиной около 1 см, заключенный металлический корпус. В этой модели транзистора, которая получила впоследствии наиболее широкое распространение - так называемая модель npn, - тонкий слой полупроводника p-типа зажат между двумя слоями полупроводника n-типа. Один из слоев n-типа служил эмиттером, другой - коллектором; средний слой p-типа представлял собой базу.

На двух переходах, эмиттер-база и база-коллектор, происходят сложные, характерные для полупроводников процессы обмена электронами и дырками. В результате этих процессов по каждую сторону от перехода образуются так называемые зоны обеднения (носителями заряда). Когда транзистор находится в нейтральном состоянии, зона обеднения слишком широка, чтобы через переход эмиттер-коллектор мог протекать ток. Однако если на n-слои подать достаточный отрицательный потенциал относительно p-слоя, то зона обеднения сужается - и начинает идти ток. Более того, прикладывая к базе невысокое управляющее напряжение, можно переключать или усиливать ток в основной цепи.

Выполняя те же функции, что и электронная лампа, транзистор вместе с тем имел значительно меньшие размеры и был свободен от недостатков, присущих лампам: у него не было хрупкого стеклянного корпуса и тонкой нити накаливания, он не перегревался и потреблял гораздо меньше электроэнергии. Плоскостная модель Шокли, в конце концов, восторжествовала над точечной моделью Бардина и Браттейна, но их изобретение не было забыто. В 1956 г. эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике. В 1972 г. Дж. Бардин, единственный из ученых, был удостоен второй Нобелевской премии по физике - за исследования, которые он проводил в Иллинойсском университете в области сверхпроводимости металлов при сверхнизких температурах.

Хотя изобретение транзистора было выдающимся научным достижением, он не сразу завоевал достойное его место. Из-за трудностей в производстве цена прибора оставалась высокой: лучшие образцы транзисторов стоили до 8 долл. за штуку, в то время как цена лампы не превышала 75 центов. Кроме того, предстояла еще большая исследовательная работа, чтобы досконально изучить все свойства этого прибора.

Однако в середине 50-х годов стоимость транзисторов резко снизилась. В 1954 г. Гордон Тил, физик, перешедший из (Bell Telephone Co)  «Белл телефон лабораторис» в компанию (Texas Instruments) «Тексас инструментс», и новичок в электронной промышленности, изготовил транзистор из кремниевого кристалла вместо германиевого. Кремний, основной компонент обычного песка, - самый распространенный на Земле (после кислорода) химический элемент. Германий же довольно редкий элемент; обычно его получают лишь как побочный продукт при очистке цинка и добыче угля. И хотя для изготовления транзистора требуется мизерное количество германия (менее 0,05 мг), сам по себе он дороже золота.
 Тонкие алюминиевые дорожки (белые) соединяют конусообразные транзисторы (синие) и прямоугольные резисторы в крошечную интегральную схему, предназначенную для выполнения логических операций компьютера. Кристаллы подобного типа (здесь он показан с увеличением в 60 раз; красная точка справа вверху истинный его размер) впервые начали производить в массовых количествах в начале 60-х годов, используя совершенно новый, планарный метод.

Усовершенствование технологии производства транзисторов еще более снизило их стоимость. Были разработаны, например, методы выращивания больших монокристаллов, которые оказались гораздо чище поликристальных блоков. (Кристаллы кремния «растут», непрерывно увеличиваясь, подобно твердым кристаллам сахара, которые образуются на ниточках, опущенных в насыщенный сахарный раствор.) Удалось также найти новые способы добавления примесей, значительно более эффективные и точные, чем прежде, когда зерна примеси бросали в расправленный кремний. При использовании нового, диффузионного, метода примеси вводили в кристалл путем напыления. Это настолько тонкий метод, что его можно сравнить с добавлением крупинки соли к 38 железнодорожным вагонам сахара.

Снижение стоимости транзистора способствовало ускорению процесса миниатюризации в электронике. Эту тенденцию всячески поощряли военные, заинтересованные в том, чтобы нашпиговать аппаратурой ракеты и другие виды вооружения, а также люди, связанные с американской космической программой, тогда еще находившейся в зародыше.

Как и электронные лампы, транзисторы, изготовленные существовавшими тогда методами, приходилось при сборке схем вручную соединять и припаивать. Работа была каторжной, а схемы занимали значительно больше места, чем того желали сторонники миниатюризации. Кроме того, все компоненты схемы образовывали хаотическое нагромождение, подверженное загрязнению и механическим повреждениям, что было существенным недостатком передовой кремниевой технологии. Необходимость соединять и припаивать транзисторы выглядела весьма неэкономично, особенно если учесть способ их изготовления: сначала на поверхности большого кремниевого кристалла методом фотолитографии формировал ось одновременно много транзисторов, затем кристалл делился на части - и все это только для того, чтобы потом транзисторы вновь соединить при построении электронной схемы.

Еще в 1952 г. Г. У. Даммер, английский специалист в области радиолокации, выдвинул смелое предложение, позволявшее создавать более миниатюрные и при этом более дешевые схемы. На симпозиуме, проходившем в Вашингтоне, Даммер предложил размещать всю схему целиком - транзисторы, резисторы и другие компоненты в сплошном блоке полупроводникового материала. Даммер, к сожалению, не смог реализовать свою идею. Однако позже один американский инженер, не знакомый с работой Даммера, смог воплотить ее в жизнь.
 

 
Логический вентиль крупным планом
Стилизованные изображения поперечного сечения двух транзисторов, а также их вид «с высоты птичьего полета» на фоне стандартного символа вентиля «И». Работая совместно, они управляют прохождением тока в цепи питания (зеленые стрелки). Два независимых сигнала высокого уровня (красные стрелки) «отпирают» транзисторы, пропуская ток через вентиль. Если хотя бы один сигнал (тем более оба) имел низкий уровень, ток не мог бы пройти.
 
В каждом современном компьютере независимо от его размеров и назначения используются логические вентили, которые и дают ему возможность выполнять свою работу. Определенным образом, реагируя на электрические импульсы, логические вентили позволяют компьютеру решать самые разнообразные задачи.

Независимо от типа все логические вентили строятся из одних и тех же основных элементов, главным образом транзисторов - переключательных устройств, способных либо проводить электрический ток, либо препятствовать его прохождению. В вентиле «НЕ» транзисторы соединены таким образом, что реализуется операция инвертирования: принимая сигнал низкого уровня, вентиль вырабатывает на выходе сигнал высокого уровня, и наоборот.

На приведенном здесь рисунке схематически изображены два транзистора, соединенные в вентиль «И». Такой вентиль пропускает ток лишь в том случае, когда на оба его входа поступают сигналы высокого уровня. Сигналы, приходящие от других вентилей, открывают транзисторы, пропуская между эмиттером и коллектором ток, который проходит далее к другому вентилю схемы.