Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы⁠⁠

Как я уже упомянул в предыдущем посте, именно благодаря полупроводникам, человеческая цивилизация совершила грандиозный рывок вперёд на пути прогресса. Без них немыслим быт современного человека и практически любое устройство, подключаемое к розетке электропитания, содержит электронные компоненты на основе полупроводников.

Мы живём в эпоху информации, почти половина населения нашей планеты подключена к глобальной сети, мы ежедневно обмениваемся друг с другом мегабайтами информации, и всё это было бы не возможно, если бы не было транзисторов – относительно простых устройств, без которых была бы немыслима работа ни одного микропроцессора.

Наверное, перед началом повествования стоит ещё назвать причины, по которым люди вообще задумались над изобретением транзистора. А основная причина была в том, что при использовании как телеграфа, так и радиосвязи приходящий сигнал был весьма слабым, что зачастую не позволяло нормально его принимать. Вот если бы было устройство, которое бы смогло регулировать уровень напряжения в цепи пропорционально приходящему сигналу, т. е. по факту – усиливать сигнал!

Очень часто, когда дают материал по электротехнике ученикам приводят аналоги из гидравлики, так как представить поток жидкости внутри трубы людям бывает проще, чем поток электрических зарядов по проводнику. Надеюсь, эта аналогия меня не подведёт, потому что сейчас мы для абсолютно гипотетического примера изобретём гидравлический транзистор:

Представим, что у нас есть слабый волновой сигнал (не важно, кто и откуда нам его посылает), и этот сигнал приходит к нам в виде изменений давления в ёмкости, которая обозначена на схеме Gate (затвор). Очевидно, что чем больше там давление, тем шире откроется заслонка, и тем большее количество жидкости сможет протекать от истока (Source) к стоку (Drain). Что характерно – интенсивность тока жидкости на сливе будет в точности повторять приходящий сигнал, однако он будет гораздо более сильным.

В электрических цепях до изобретения транзистора использовались лампы под названием триоды:

Устроен триод почти так же, как и ламповый диод (см. предыдущий пост), с тем лишь исключением, что между катодом и анодом натянута сетка, которая называется «управляющей» к которой подведён дополнительный контакт. Продолжая аналогию с предыдущей гифкой, можно увидеть, что сетка играет роль затвора. Поле, создаваемое управляющей сеткой, оказывает влияние на анодный ток. Под управлением находятся электроны, эмитированные катодом в виде пространственного заряда. Степень воздействия зависит от расстояния того или иного электрода до катода.

Поскольку расположение управляющей сетки получается ближе к катоду по сравнению с анодом, соответственно, и влияние её электрического поля на заряд катода будет выше, чем у анода. Во время прохождения электрического тока по триоду движение электронов осуществляется в направлении от катода к аноду. При этом, они проходят сквозь отверстия управляющей сетки. Если на неё подать в небольшом количестве отрицательный потенциал через ножку в основании лампы, то у нас появится возможность изменять число электронов, движущихся от одного электрода к другому. Действие отрицательного потенциала, подведённого к сетке, вызывает отталкивание некоторой части электронов. Другие электроны, попавшие в триод, все равно преодолевают открытое пространство между электродами и движутся в направлении анода. Так можно управлять течением тока через лампу и внешнюю цепь.

Лампы были, с одной стороны, весьма прогрессивным изобретением, однако, в то же время, они были очень хрупкими и очень громоздкими и требовали много энергии (помните, катод надо нагревать). Вот, к примеру, один из первых радиоприёмников образца 1914 года:

Мы можем использовать эту управляющую сетку не только для регулировки, но и в качестве выключателя. Если мы подадим на управляющий электрод отрицательный заряд, он начнёт отталкивать вылетающие электроны из катода и цепь будет разомкнута. В этом была заложена основа двоичного кодирования – ноль и единица. Лампы открыли нам путь для создания компьютеров. Для постройки одного из первых в мире компьютеров общего назначения ENIAC в 1945 году было использовано около 18 тысяч ламп! Компьютер весил 30 тонн и занимал целый зал, не говоря уже о той прорве электричества, которую он пожирал. Лампы регулярно перегорали и требовали замены. Тем не менее, эта машина за 30 минут справлялась с таким же объёмом расчётов траекторий артиллерийской стрельбы, на проведение которых человеку требовались сутки. Теперь же, похожая задачка решается в тех же Angry Birds, и справиться с ней может чип величиной с песчинку, и всё благодаря транзистору. В современных микропроцессорах находятся миллиарды транзисторов, каждый из которых выполняет точно такую же функцию, как и лампа.

Давайте же разберёмся, как он работает.

Прежде всего, если вы не читали предыдущий пост, настоятельно советую для начала ознакомиться с ним, потому что дальнейшее изложение я буду строить исходя из предположения, что читатель знаком с понятиями P-N перехода. Вкратце – в полупроводники с правильной кристаллической решёткой вносятся добавки (процесс называется «легирование»), обеспечивающие либо дополнительные электроны в зоне проводимости (полупроводник N-типа), либо наоборот – создающие их дефицит (дырки) – полупроводник P-типа.
Для того, чтобы создать диод, нам понадобилось 2 типа полупроводников, соединённых друг с другом. Но что будет, если мы на этом не остановимся и добавим ещё один полупроводник? Ура! Мы соорудили транзистор, а точнее – биполярный транзистор (но о том, какие они вообще бывают, поговорим позднее):

Обратите внимание, что, в зависимости от порядка чередования слоёв полупроводников, мы можем соорудить 2 типа транзисторов – PNP и NPN. Принцип работы у того и другого типа примерно одинаковый, разные только носители заряда и способ управления, поэтому пока просто запомните эту информацию, а к разнице между ними я вернусь чуть позже.

Рассмотрим транзистор первого типа NPN. Носителем заряда в нём являются электроны, поэтому на рисунке ниже, дырки не показаны (но помните, что они там есть!). Принципиально, он напоминает «бутерброд», сооружённый из двух диодов, и обладает, соответственно, двумя переходами NP и PN, поэтому, в каком бы направлении мы не пропускали ток, один из двух переходов всегда будет де-факто диодом с обратным подключением, и ток через цепь такое устройство не пропустит.

Однако, если подвести к внутреннему слою дополнительный положительный заряд, например, подключив дополнительный источник питания, как на рисунке с напряжением, достаточным для преодоления инверсного слоя, мы получим такую картину:

Что здесь происходит? Посмотрите на область, обведённую красным пунктиром. По сути, мы видим иллюстрацию из предыдущей части – диод с прямым подключением. Отрицательно заряженный терминал (слева) выпустит большое количество электронов, которые будут толкать другие электроны дальше. Перескакивая от дырки к дырке, часть электронов устремится к месту подключения положительного полюса батареи (кстати, этот вывод транзистора называется База), и дальше. Этот путь показан тонкой пунктирной стрелкой синего цвета.

Отрицательно-заряженный терминал вводит в N-область всё больше и больше электронов (тот терминал, из которого производится выпуск носителей заряда (в нашем случае – электронов) называется Эмиттер, от англ. to emit – выпускать, испускать), и большая их часть продолжает свой путь дальше. Они притягиваются положительным зарядом нижней батареи – к положительно-заряженному терминалу, который в нашем случае называется Коллектор (от англ. to collect – собирать). Их путь показан жирной пунктирной стрелкой синего цвета.

Во избежание путаницы здесь и далее напомню, что под током мы подразумеваем не движение по цепи отрицательных электронов, а движение положительных зарядов. Почему?

Спасибо за это надо сказать Бенджамину Франклину (да, да, тому самому). Именно он ввёл общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «−». Про электрон тогда не знали, фактически, было абсолютно всё равно, какой именно тип зарядов называть положительным, а какой – отрицательным. Но с него повелось, что ток в цепи течёт от положительного полюса источника питания к отрицательному, хотя электроны движутся в противоположном направлении. Поэтому, хотя носителем заряда в NPN транзисторе являются электроны, считается, что электрический ток идёт в противоположном направлении.
Поскольку количество носителей заряда (электронов), проходящих от эмиттера к коллектору намного больше, чем на пути от эмиттера к базе, мы, имея слабый ток на базе, получили его усиление на коллекторе.

Разумеется, если мы будем динамически менять напряжение на базе, ток на коллекторе будет изменяться синхронно, на чём и основан базовый принцип усиления сигнала. Как видите, аналогия с шлюзом, малое изменения давления в котором позволяло регулировать давление основного потока в большем диапазоне, очень удачна. Если сравнивать с триодной лампой, то легко увидеть аналогию – здесь эмиттер выполняет роль катода, коллектор – анода, а база играет роль управляющей решётки.

Самое время понять, в чём разница между транзисторами PNP и NPN типа.

В транзисторе NPN положительное напряжение подаётся на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подаётся на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течёт от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

Ниже три простых правила, которые нужно запомнить про разные типы биполярных транзисторов:

1) PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN – положительной.
2) PNP пропускают ток от эмиттера к коллектору, NPN – наоборот.
3) В NPN транзисторах основные носители заряда – электроны, а в PNP – дырки, которые менее мобильны (мобильность - скорость переноса мощности), соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

Полевые (FET) транзисторы
Другим типом транзисторов, являются полевые транзисторы (FET – Field Effect Transistors). По сути своей, они выполняют ту же функцию, что и биполярные, однако их принцип действия несколько иной. Есть множество разновидностей современных полевых транзисторов, и на то, чтобы описывать их все не хватит ни времени, ни места в посте, поэтому я остановлюсь на том типе, который используются в современных микропроцессорах. По-русски они называются полевые МОП-транзисторы (Металл-Оксид-Полупроводник), но более часто встречается английская аббревиатура MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).Как следует из названия, управление током в полевом транзисторе происходит не при помощи регулирующего напряжения, а при помощи электрического поля.И так, возьмём подложку из слабо-легированного полупроводника P-типа и внедрим на неё две полоски высоколегированного полупроводника N-типа (напомню – в полупроводника N-типа примеси создают избыток свободных электронов, а в P-типе – их дефицит):

Тут стоит сказать, что даже в P-области, где преобладают дырки, нет-нет, да и встречаются свободные электроны, способные проводить ток, которые мы будем называть неосновными носителями заряда (англ. minority carriers). Чуть позже я объясню, почему это важно.
Как мы уже знаем, на границе P-N переходов свободные электроны из N-областей рекомбинируют с дырками в P области и формируют своебразный барьер, где нет ни дырок, ни свободных электронов, так называемый инверсный слой (англ. depletion region).

Если сейчас подать на наш недотранзистор напряжение, то электроны из N областей станут дрейфовать в сторону положительно-заряженного терминала, а дырки – наоборот, сдвинутся подальше от него, инверсный слой ещё больше увеличится, и это означает, что ток через такое устройство проходить не будет.

Так как же нам заставить ток проходить через наше устройство? Для начала, давайте разберёмся (или вспомним), как работает конденсатор. В простейшем виде, конденсатор – это две проводящие пластины, с проложенным между ними диэлектриком (изолятором).

Если подключить его к источнику постоянного тока, то положительный полюс батареи начнёт притягивать свободные электроны, находящиеся в подсоединённом электроде, и эти электроны в конечном счёте начнут скапливаться на электроде по ту сторону изолятора. Накопленные таким образом заряды создадут между электродами электрическое поле.

Давайте теперь возьмём одну пластину этого конденсатора а, вместо второй воспользуемся подложкой нашего недотранзистора. Электроны с металлической платы начнут мигрировать в сторону полупроводниковой подложки, а сама пластина начнёт приобретать положительный заряд, вследствие чего между верхним и нижним контактом сформируется электрическое поле (так же, как это происходит в конденсаторе). Помните, я просил запомнить, что даже в P-области присутствуют свободные электроны (неосновные носители заряда) – так вот, здесь они нам и пригодились. Эти электроны будут притягиваться к верхнему положительно заряженному электроду. Область непосредственно под положительно-заряженном электродом будет, как следствие переполнена электронами:

Непосредственно под областью насыщения электронами сформируется новый инверсный слой, состоящий из рекомбинированных электронов и дырок. Эта конфигурация «ломает» инверсный слой между P-областями и позволяет, наконец, току проходить через эту область.

Ура! Мы собрали свой MOSFET транзистор. Левый электрод на рисунке называется исток (англ. source), электрод конденсатора в центре – затвор (англ. gate), а правый, соответственно, сток (англ. drain). Названия отражают роль данных контактов в движении электронов через транзистор. Располагая уже имеющимися в нашем распоряжении знаниями, легко понять, что, регулируя ток на цепи от затвора к базе, мы так же будем регулировать прохождение электронов от истока к стоку.

Казалось бы, зачем нам нужны такие сложности, если у нас уже были биполярные транзисторы?
Наверное, самым важным преимуществом полевых транзисторов является то, что они требуют гораздо меньшей энергии для поддержания режима проводимости, и, соответственно, меньше греются. А когда у вас на интегральной схеме расположено компактно несколько миллиардов таких штук, проблемы отвода тепла и снижения энергопотребления становятся весьма важны.

Из этого факта следует ещё одно дополнительное преимущество – полевые транзисторы гораздо больше помехоустойчивы, поскольку ток через затвор транзистора практически не проходит, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

Ещё полевые транзисторы способны обеспечивать гораздо большее усиление по току и способны переключаться между состояниями проводимости и непроводимости гораздо быстрее, соответственно, они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Но, помимо преимуществ, есть у полевых транзисторов и недостатки. В частности, структура полевого транзистора начнёт разрушаться уже при 150°C, в то время как биполярные выдерживают до 200°C. Кроме того, низкое энергопотребление полевых транзисторов на высоких частотах (примерно начиная с 1,5 ГГц) потребление энергии у них начинает возрастать по экспоненте. Это, кстати, является одной из основных причин замедления роста скорости микропроцессоров, а производители перешли к стратегии многоядерных процессоров.
***

Самым сложным при подготовке этого поста было решить, что важно, о чём стоит написать, а что можно пропустить. Тема настолько обширна, что заранее прошу меня простить за то, что кое-что я либо осознанно, либо случайно оставил за скобками.
Зато теперь я понимаю, что не закончил, и придётся «пилить» продолжение. Как минимум, хочется рассказать о современных технологиях изготовления микропроцессоров и о том, как законы квантовой механики становятся на пути производителей, а так же о том, как же, всё-таки, люди научили компьютеры считать при помощи транзисторов.
Но на сегодня, спасибо за внимание, у меня пока всё.