Транзистор

Транзистор — прибор, используемый в электрических устройствах (схемах), предназначенных для усиления, генерации, преобразования и коммутации сигналов в электрических цепях. Термин «транзистор» происходит от англ. Transfer — переноси, resistor — сопротивление. В названии устройства отображена его суть — возможность изменять сопротивление одной области прибора, управляя электрическим напряжением в другой его области.

Первыми транзистор с двумя p-n-переходами изобрели и изготовили учёные США Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн в 1948 г. Несколько позже их соотечественник Уильям Брэдфорд Шокли разработал теорию биполярного плоскостного транзистора. Вклад учёных в прогресс человечества был отмечен присуждением им Нобелевской премии по физике в 1956 г. с формулировкой «За исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Транзистор состоит из трёх слоёв полупроводников: по краям находятся полупроводники одного типа, а между ними — очень тонкая прослойка полупроводника другого типа.

При изготовлении транзистора, например p–n–p-типа, с обеих сторон плёнки из германия с проводимостью n-типа вплавляют трёхвалентную примесь, например индий, и крайние области прибора приобретают проводимость p-типа. Транзисторы n–p–n-типа устроены аналогичным образом, только материал базы у этих приборов обладает дырочной проводимостью, а эмиттера и коллектора — электронной.

Соответственно, транзисторы делятся на два типа: рпр транзисторы и прп транзисторы. Две крайние области транзистора называют эмиттером¹ и коллектором², а среднюю область — базой. На рисунке изображён р-n-р-транзистор.

¹ От английского «emit» — излучать, испускать.

² От английского «collect» — собирать.

В р-n-р-транзисторе основными носителями заряда в эмиттере и базе являются дырки. В базе же основные носители заряда — электроны, но её делают настолько тонкой (несколько микрон), а концентрацию электронов в ней настолько малой, что практически все дырки проходят из эмиттера в коллектор сквозь базу.

Переход между эмиттером и базой делают прямым, и поэтому дырки с эмиттера диффундируют (от слова диффузия) в базу, а сквозь неё в коллектор. Однако число дырок, которые прошли сквозь базу (а, следовательно, и сила тока через коллектор), существенно зависит от напряжения между эмиттером и базой: чем сильнее база притягивает дырки, тем большее их число пройдёт сквозь неё.

Благодаря этому малые изменения напряжения между эмиттером и базой вызывают синхронные, только во много раз большие изменения напряжения на нагрузке (резисторе В), включённой в цепь коллектора.

Таким образом, транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов: изменяя напряжение между базой и эмиттером на сотые доли вольта, можно изменять напряжение между эмиттером и коллектором на десятки вольт. Это позволяет, например, преобразовывать чрезвычайно слабые сигналы в антеннах радиоприёмников и мобильных телефонов в электрический ток, питающий динамики или наушники.

Диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными схемами.

Обычно интегральную схему формируют на пластинке кристалла кремния, «выращенного» специальным способом.

Такую пластинку с интегральной схемой часто называют чипом³.

³ От английского слова «chip» — тонкая пластинка.

Фотографии некоторых чипов приведены на рисунке ниже рядом с линейкой, чтобы вы смогли представить их размеры. Важными преимуществами интегральных схем являются высокое быстродействие и надёжность, а также дешевизна. Именно благодаря этим качествам на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

Транзисторы используются повсеместно: в приемниках, компьютерах и даже в приборах, предназначенных для космических исследований. Транзисторы с успехом заменили электронные лампы, которые были громоздкими и значительно менее безопасными. Первый компьютер, как раз, работал на электронных лампах, и занимал помещение, сравнимое с размерами спортзала. Сегодня в компьютерах используются маленькие микросхемы с транзисторами, каждый из вас знает, насколько меньшее пространство занимает современный компьютер, чем спортзал.

Благодаря появлению транзисторов системы обработки данных и системы связи получили в своё время мощный толчок в развитии. Без транзисторов невозможна работа компьютеров, которые в современном мире повсеместно используют для обработки и хранения информации. Транзисторы и интегральные схемы на транзисторах применяют в электронной аппаратуре, различного рода гаджетах, в приборах автоматического управления и вычислительной техники в качестве бесконтактных переключательных элементов — электронных ключей.

На сегодняшний день, на каждого жителя Земли приходится приблизительно 10 миллиардов транзисторов.