С физикой — от счетов к современным компьютерам

Владимир Клиньшов

• Краткая история ЭВМ
• Булева алгебра — основа работы компьютера
• Электровакуумный триод
• Полупроводниковый транзистор
• Заключение

Полупроводниковый транзистор

Рис. 4. Электронно-дырочный переход и транзистор

Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу, как свободная клетка при игре в пятнашки. Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную свободную частицу.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором (рис. 4). За счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов в них различно. Так, в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью p-типа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).

Пусть как на коллектор, так и на базу транзистора подан отрицательный потенциал относительно эмиттера — на базу меньший, на коллектор больший (рис. 4а). Тогда электрическое поле на контакте база—эмиттер направлено слева направо и способствует движению дырок из эмиттера в базу, а электронов — наоборот, из базы в эмиттер. Поле на контакте база—коллектор направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера, и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток.

Теперь предположим, что потенциал базы относительно эмиттера стал положительным, а потенциал коллектора по-прежнему отрицателен (рис. 4б). Тогда электрическое поле на контакте эмиттер—база направлено налево, а на контакте база—коллектор — направо. Таким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты течет только ток, связанный с движением неосновных зарядов — дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Так как число таких зарядов весьма невелико по сравнению с основными, то и ток в этом случае пренебрежимо мал.

Таким образом, варьируя напряжение между базой и эмиттером, можно изменять значение коллекторного тока от максимального до почти нулевого, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. Это значит, что транзистор, как и вакуумный триод, может выполнять функцию «электронного вентиля».

С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем триод. Его можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные компьютеры производятся на транзисторах, а не на лампах. Изобретение интегральных микросхем, способных объединить на одном кристалле миллионы транзисторов, прочно закрепило их преимущество перед лампами.