Как работает транзистор [Veritasium]
[музыка] В этом телефоне почти 100 миллионов транзисторов. А в ноутбуке более миллиарда. Транзисторы есть практически в любом электроприборе, что мы используем: в телевизоре, радио, Тамагочи. Но как они работают?
Основной принцип по сути весьма прост. Транзистор действует как переключатель и контролирует подачу электричества. Он может быть выключен; это состояние называется ноль, или он может быть включён; это единица. Сегодня так обрабатывается и хранится вся информация: нули и единицы, фрагменты электрического тока.
В отличие от переключателя, у транзистора нет движущихся частей, и он не требует участия человека. Он может включаться и выключаться куда быстрее, чем я могу щёлкать переключателем. И, наконец, самое важное, он невероятно мал. Это всё благодаря чуду полупроводников, или лучше сказать, науке полупроводников.
Чистый кремний - это полупроводник. Что значит, он проводит ток лучше, чем диэлектрик, но не так хорошо, как металл. Всё это потому, что у атома кремния четыре электрона на внешней или валентной орбите. Это позволяет ему формировать связи с его четырьмя ближайшими соседями. Привет, сосед! Клёвый день, что кого? В итоге он формирует четырёхгранный кристалл.
Но так как все электроны застряли в связях, лишь некоторым из них хватает энергии, чтобы высвободить и начать двигаться через кристаллическую решётку. Именно небольшое количество движущихся зарядов и делает кремний полупроводником. Всё это было бы не так полезно, если бы не легирование, такой своеобразный допинг. Принцип примерно такой же: вы вводите чужеродную субстанцию для повышения производительности.
Почти одно и то же, только на атомном уровне. Существуют примеси двух видов: N-тип и P-тип. Для полупроводника N-типа вам нужно взять чистый кремний и добавить немного вещества с пятью валентными электронами, вроде фосфора. Фосфор очень похож на кремний, и поэтому он может поместиться в решётку, но он приносит с собой ещё один электрон.
А значит, в полупроводнике теперь больше подвижных зарядов, и он проводит ток лучше. При легировании типа P в решётку добавляется элемент лишь с тремя валентными электронами, например, бор, и это создаёт дырку — место, где должен быть электрон, но его там нет. Это всё равно увеличивает проводимость, так как электроны могут заполнять эти дырки.
Несмотря на то что двигаются именно электроны, принято говорить, что движутся дырки, ведь их намного меньше. Так как дырка - это отсутствие электрона, она выполняет роль положительного заряда. Именно поэтому проводники типа P так называются: P означает положительный.
Токопроводимость обеспечивается за счёт положительного заряда. Многие думают, что проводники N-типа отрицательно заряжены, а проводники P-типа положительно заряжены, но это неправда. Они все заряжены нейтрально, у них внутри одинаковое количество электронов и протонов.
N и P лишь означают знак заряда, который в них движется. Так что в N-типе двигаются отрицательные электроны, а в P-типе — положительные дырки, но они оба нейтральны. Транзисторы делаются из полупроводников N-типа и P-типа.
Самая популярная конфигурация имеет N на концах и P посередине. Как в переключателе, на концах транзистора находятся электрические контакты, они называются исток и сток соответственно. Но вместо металлического ключа здесь есть третий электрический элемент — затвор, который изолирован от полупроводника оксидной плёнкой.
В транзисторе N и P полупроводники не изолированы друг от друга, и на самом деле электроны диффундируют из N-типа, где их много, в P-тип, заполняя дырки. Таким образом, получается объединённый слой. Чем же он объединён? Свободными зарядами. Свободных электронов в N-типе больше нет, потому что они заполнили дырки в P-типе.
Из-за дополнительных электронов P-тип становится отрицательным. Теперь P-тип отталкивает все электроны, которые будут пытаться выйти из N-типа, поэтому объединённый слой действует как барьер, не допуская поток электрического тока через транзистор. Так что, пока транзистор выключен, он как разомкнутый ключ.
Он в нулевом состоянии. Для включения на затворе необходимо создать небольшое положительное напряжение, которое притянет электроны из N-типа сквозь объединённый слой. По сути, это уменьшит слой, и электроны могут начать двигаться, образуя проводящий канал. Теперь транзистор включён; он в состоянии единицы.
И это удивительно, потому что, просто используя свойства кристаллов, мы смогли создать переключатель без движущихся частей, который можно быстро включать и выключать подачей напряжения. И самое важное — сделать его крошечным. Сегодня ширина транзисторов всего 22 нанометра, то есть они состоят из примерно 50 атомов.
Но, следуя закону Мура, они должны становиться всё меньше и меньше. Закон Мура гласит, что каждые 2 года число транзисторов на чипе должно удваиваться. Но этому есть предел; при сближении контактов друг к другу начинают проявляться квантовые эффекты, и электроны смогут [музыка] туннелировать заряд.
Это станет реальной проблемой для будущего транзисторов. Но мы столкнёмся с ней лишь лет через 10, а до тех пор транзисторы в привычном нам виде будут становиться всё лучше. Переведено и озвучено студией Vert Dier. N