Физика транзистора: как работает «клетка» электронного организма


Полевой транзистор — вот основной компонент любого компьютера. Называется он так потому, что управляется приложением напряжения, то есть электрическим полем. Транзистор может быть усилителем тока или работать в режиме ключа (пропускать или не пропускать ток). Последнее свойство используется компьютером для вычислений, которые он выполняет в двоичной системе. Например, в режиме пропускания тока транзистор находится в состоянии логического нуля, а в режиме непропускания — в состоянии логической единицы. 

Все в мире может находиться только в двух основных состояниях. Человек может быть больным или здоровым, дверь либо закрыта, либо открыта, строительство дома либо завершено, либо все еще в процессе. Двоичная система не признает «межсостояний».

Итак, что мы хотим от компьютера? Одно из требований — мгновенное выполнение даже самых сложных задач. Получается, от транзистора нам нужна высокая скорость смены состояний — быстрое чередование задаваемой последовательности нулей и единиц.

Рассмотрим упрощенную схему полевого транзистора. На подложке из полупроводника делаются два омических контакта, которые называются «исток» и «сток». Омическим называют контакт, который характеризуется линейной зависимостью тока от напряжения. Подложка должна быть построена из слоев полупроводников таким образом, чтобы существовал постоянный ток носителей заряда (электронов или дырок) от одного контакта к другому по полупроводниковому слою. Между этими контактами расположен еще один контакт, который называют затвором. Приложение напряжения к затвору и истоку изменяет высоту энергетического барьера, который преодолевают электроны при движении из одного слоя материала в другой. Например, из полупроводника в металл или из полупроводника в полупроводник.

Энергетический барьер возникает между двумя разными материалами. Например, для того, чтобы электрон «вышел» из металла, ему нужно преодолеть притяжение положительных ионов кристаллической решетки. Так как ее устройство зависит от материала, между последними будет возникать барьер, разница энергий, которую надо преодолеть электронам.

Например, чтобы студенту перейти с одного курса на другой, нужно сдать экзамены. То есть достичь определенного накопления знаний в своей голове. Если поставить вместо знаний энергию, то получим аналог электрону, который преодолевает «барьер-экзамен», чтобы перейти в другую область.

Если барьер в полевом транзисторе достигает определенной высоты (при помощи приложения напряжения), энергии электронов недостаточно для «прыжка» через него, и ток не течет. Допустим, это состояние логической единицы. А если напряжение не приложено, электроны спокойно бегут от одного контакта к другому, транзистор находится в состоянии логического нуля.

Теперь можно подумать, как обеспечить наиболее быструю смену состояний транзистора. Вспомним очень простую школьную формулу:

                                                              t=s/v. 

В данной формуле s — это расстояние, которое проходит объект, t — время, за которое он его преодолевает, v — скорость движения.

Время, за которое ток достигнет такого значения, чтобы электроны покинули управляемую область (под затвором), зависит от их скорости и расстояния, которое надо пройти.

Основным материалом, из которого делаются транзисторы, является кремний. Он дешевый, доступный и применимый для многих задач. Но иногда перед учеными стоит цель получения максимально мощных или высокочастотных (скоростных) транзисторов. В первом случае их функцией является в основном усиление сигнала. Для этого используются структуры на основе нитрида галлия (GaN). А для получения высоких частот (уже существуют образцы транзисторов с частотой выше 1 терагерца) чаще всего берутся полупроводники на базе арсенида галлия (GaAs).

Схема транзистора размером в 1 нанометр
  • Facebook
  • Twitter
  • Google+
  • Pinterest
  • LinkedIn
  • Gmail
  • VKontakte

Схема транзистора размером в 1 нанометр

На данный момент, благодаря развитию полупроводниковых технологий, возможности транзисторов растут. Одним из «претендентов» на материал для сверхбыстрых транзисторов стал графен. Ученые обещают, что его использование ускорит транзисторы в тысячи раз — вплоть до петагерц (10¹⁵).

 

Источник: Ria.ru (РИА Новости)
Автор: Ольга Коленцова

comments powered by HyperComments

Author: Hassan Khazaal

Share This Post On
Top

Pin It on Pinterest

Share This

Share This

Share this post with your friends!