Как выглядит транзистор: Виды, типы, характеристики, принцип работы

Содержание

Как устроен процессор? Разбираемся вместе

Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

Первые полевые транзисторы

появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние «0» или «1».

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Вдыхаем!

Кремний (он же Si – «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет

легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы «–» касался p-стороны пластины, а «+» – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. «+» от источника к p-стороне, а «–» – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали

прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив «+» контакт на «центральную» p-область (базу), а «–» контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

Выдыхаем!

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – «0».
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие

логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

  • 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
  • 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
  • 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
  • 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
  • 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
  • 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
  • 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
  • 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
  • 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
  • 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
  • 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

  • кэш-памяти;
  • конвейера;
  • встроенного сопроцессора;
  • множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

  • SPARC;
  • ARM;
  • PowerPC;
  • Intel P5;
  • AMD K5;
  • Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

  • сложность команд и откровенная их запутанность;
  • высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

  • мобильность;
  • автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

🤓 Хочешь больше? Подпишись на наш Telegram. … и не забывай читать наш Facebook и Twitter 🍒 В закладки iPhones.ru Большая статья, наливайте чай.
  • До ←

    20 штук из Китая, которые стоит заказать прямо сейчас

  • После →

    МТС будет нагло списывать деньги с неактивных абонентов

Как проверить транзистор мультиметром?

Назначение транзистора

Транзистор — деталь распространенная, найти её можно в любом электроприборе. Он нужен для работы с электрическим сигналом, то есть он способен генерировать, усиливать и преобразовывать электросигналы. Транзисторы бывают двух видов: биполярные и униполярные, или, как их чаще называют, полевые. Такое деление основано по принципу действия и на строении детали. Каждый тип в этой статье описан не зря — это основа знаний, как проверить транзистор мультиметром.

Итак: биполярные транзисторы работают благодаря полупроводникам с двумя типами проводимости: прямым (рositive) и обратным (negative). В зависимости от комбинации его обозначают NPN и PNP. А вот полевые работают только с одним типом. Это или N-Channel, или P-Channel.

Биполярные устройства управляются силой тока, а униполярные — напряжением.

Биполярные транзисторы можно увидеть в большинстве аналоговой техники, тогда как цифровые приборы чаще оснащены полевыми. Имея ввиду эти отличия, рассмотрим как проверить транзистор тестером.

Конструкция мультиметра

Мультиметр (тестер) — универсальный прибор для измерений. Он вычисляет силу тока, напряжение, сопротивление, определяет также целостность провода. Мультиметры бывают аналоговыми или цифровыми. Разница заключается в точности измерений и в том, каким образом вы получите результат: считывая по движению стрелки по принципу механических часов (аналог), или на экранчик (цифра). Цифровой, по ряду причин, проще в использовании, поэтому подходит пользователям с минимальным уровнем познаний в радиоэлектронике. Независимо от типа тестера, проверка транзистора мультиметром — процесс простой.

Особое внимание перед началом диагностики транзистора стоит уделить правильной комплектации тестера. Это займет от силы пару минут, но убережет от ошибок в результатах. Итак, мультиметр оснащён двумя щупами. Черный — минусовой, красный — плюсовой. Обязательно убедитесь, чтобы каждый из них был вставлен в корректное гнездо, ведь зависимо от модели и типа тестера их может быть разное количество. Транзисторы проверяем исключительно в таком положении: чёрный щуп в гнездо маркированное английскими буквами СОМ, красный щуп помещаем в разъемы, обозначенные буквами греческого алфавита.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром

БП транзистор — это прибор-полупроводник, который используют для увеличения мощности входного электросигнала. Такими транзисторами управляет ток. Состоит он из трёх элементов. Первый — это эмиттер. Он генерирует носители заряда. Рабочий ток стекает в коллектор, т. е. своеобразный приемник и второй ключевой элемент транзистора. Третий — база. Именно она и подаёт напряжение.

Представим прибор как пару диодов. Они включены встречно и сходятся в базе. Для проверки исправности этого типа достаточно произвести два измерения сопротивления. Определяем, какой транзистор: p-n-p или n-p-n. Рассмотрим детально, как проверить npn транзистор мультиметром. Используем следующий алгоритм действий:

  • Подаем минусовое U-ние к выводу базы. На тестере режим измерения R-ния. Ставим порог 2000. Или же используем режим «прозвонок», это для тех, кто хочет узнать, как прозвонить транзистор мультиметром. Независимо от предпочитаемого режима, результат будет корректен.
  • Берём черный щуп и подводим его к выводу на базе, фиксируем. Красный щуп — к коллекторному переходу. Затем перемещаем к эмиттеру (вывод). Если получили значение прямого сопротивления от 500 Ом до 1200 Ом — переходы целы.
  • Далее измеряем обратное R-ние. Для этого красный щуп подносим к выводу базы и фиксируем. Черный передвигаем поочерёдно сначала к выводу коллектора, затем эмиттера. Тестер должен показать большое значение. Если у вас цифровой мультиметр выставлен на «2000», показывает «1», то величина R-ния выше 2000 Ом. Большое значение — показатель исправности транзистора.

Этот метод подойдёт и искателям способа, как проверить транзистор мультиметром не выпаивая. Представим: вам нужно проверить прибор на плате прямо в схеме. Тогда проблемы могут возникнуть исключительно в случае плотного шунтирования низкоомными резисторами p-n переходов. Проверить просто: при измерении показатели обоих видов сопротивления будут крайне малы. В таком случае выпаивание вывода базы — необходимая мера для дальнейшей корректной диагностики. Транзистор n-p-n диагностируем таким же методом. Единственное отличие: на выходе базы фиксируем красный, а не чёрный щуп тестера.

Как проверить нетипичные модели транзисторов

Есть транзисторы, которые могут не поддаться обычной проверке мультиметром, независимо от того, стоит режим прозвонки или омметра. Такие триоды используют, к примеру, в электронных балластах светильников. Среди моделей — MJE13003, 13005, 13007.

Детальнее рассмотрим, как проверить транзистор 13003 мультиметром, на одном примере. Всё дело в нетипичной цоколёвке транзистора 13003 — вывод базы находится справа. В даташитах сказано, что выводы могут чередоваться слева направо в такой последовательности: база, коллектор, эмиттер. Поэтому нужно точно определить порядок и положение составных и действовать методом описанным выше.

Погрешности при замерах могут провоцировать и диоды внутри деталей некоторых транзисторов.

Поэтому прежде чем приступать к замерам, нужно четко понимать строение проверяемого транзистора.

Как проверить полевой транзистор мультиметром

Этот прибор управляется электрическим полем, которое создаёт напряжение. Это одно из главных отличий от биполярного полупроводникового ключа. Униполярные транзисторы делят на два типа. Первый имеет изолированный затвор. Второй p-n переходы. Независимо от типа бывают n-, или p-канальные. Большинство полевых транзисторов имеют три вывода: исток, сток и затвор. Если сравнивать с биполярным, то это аналоги эмиттера, коллектора и базы.

Берём за основу проверку  устройства типа p-n. Независимо от типа канала (n, p), последовательность действий меняться не будет. Разница лишь в противоположном подключении щупов. Итак, для диагностики n-канального прибора нам понадобится:

  • Установить на режим мультиметра «измерения R». Уровень 2000. Плюсовой щуп устанавливаем к истоку. Чёрный закрепляем на стоке. Измеряем сопротивление. Потом нужно щупы переставить. Замеряем вновь. Результаты при работающем транзисторе будут приблизительно равнозначными.
  • Далее тестируем переход исток-затвор. Для этого ставим режим на мультиметре «проверка диодов». Плюс подключаем к затвору, а минус к истоку. Прибор в норме фиксирует падение U-ния около 650 мВ. Отсоединяем щупы и перемещаем: теперь чёрный находится у затвора, а красный у истока. Тестер должен показать единицу, то есть бесконечность. Это свидетельствует об исправности транзистора.
  • Для проверки перехода сток-затвор оставляем мультиметр в режиме проверки диодов. Действуем аналогично пункту проверки p-n перехода исток-затвор.

Когда все три замера совпадают с вышеописанными полевой транзистор готов к эксплуатации.

Предлагаем пример проверки полевого транзистора в видеоролике:

Видео с проверкой транзистора мультиметром

Смотрите в формате видео, как проверить транзистор мультиметром.

Что такое биполярный транзистор? — Museymelnikovo.ru

Поделиться на Facebook ВКонтакте Twitter Одноклассники

Биполярные транзисторы — это тип транзисторов, состоящих из pn-переходов, которые также называются биполярными переходными транзисторами (BJT). В то время как полевой транзистор является униполярным устройством, биполярный транзистор назван так потому, что в его работе задействованы два типа носителей заряда: дырки и электроны. Поскольку биполярный транзистор был первым из изобретенных транзисторов, когда просто говорят «транзисторы», иногда это означает биполярные транзисторы. А справочник биполярных транзисторов можно найти здесь, просто перейдя по ссылке.

Доступны два типа биполярных транзисторов, известные как npn и pnp, в зависимости от типа перехода. Структура биполярного транзистора выглядит симметричной. (Например, в случае транзистора npn-типа, коллектор и эмиттер по обе стороны от p-области базы представляют собой n-области, которые выглядят одинаково.) Однако концентрации легирующей примеси в областях коллектора и эмиттера весьма значительны. разные. Следовательно, если контакты эмиттера и коллектора поменять местами, биполярный транзистор имеет гораздо более низкое значение h FE и не будет функционировать должным образом.

Когда биполярный транзистор находится в активной области, ток коллектора в h FE умножен на ток базы. Следовательно, схема усилителя может быть сконфигурирована с использованием активной области.

Напротив, области насыщения и отсечки позволяют использовать биполярные транзисторы в качестве переключателей, потому что между эмиттером и коллектором в области насыщения мало электрического сопротивления, а в области отсечки протекает небольшой ток.

Поделиться на Facebook ВКонтакте Twitter Одноклассники

Какой транзистор. Виды транзисторов и их применение. Для чего используются транзисторы

До сих пор мы изучали радиоэлектронные компоненты, которые имеют только два вывода, такие как , конденсаторы, аккумуляторы, светодиоды и переключатели и так далее.

Транзисторы же имеют в своем составе три вывода. Транзисторы бывают разных типов, форм и размеров. По большей части, все они работают одинаково, лишь с небольшими отличиями в зависимости от типа.

Чтобы обеспечить надлежащий ток между эмиттером и коллектором, необходимо, чтобы напряжение коллектора было положительным и также превышало напряжение эмиттера транзистора. Поэтому базовое напряжение должно быть больше, чем падение напряжения на 7 В, в противном случае транзистор не будет работать. Уравнение для напряжения питания коллектора задается как.

Это отношение обычно представлено β и максимальное значение β составляет это отношение. Это отношение представлено α, и это значение обычно равно единице. Теперь рассмотрим соотношение между двумя параметрами отношения α и β. Эта величина усиления тока очень близка к единице, но меньше единицы. Мы знаем, что ток эмиттера представляет собой сумму малого базового тока и большого тока коллектора.

Большую же часть всех транзисторов составляют биполярные и полевые транзисторы. В данной статье, для объяснения, того что такое транзистор и для чего нужен транзистор, в качестве примера мы будет использовать полевой (FET) транзистор, поскольку его работа более понятна и это знание более полезно. Почти все, что вы узнаете здесь, так же с успехом можно применить к биполярным транзисторам.

Из уравнения 2, коллектор. Здесь выходной ток представляет собой ток коллектора, а входной ток — базовый ток. Из приведенных выше соотношений зависимость между α и β может быть выражена как. Но в целом это значение β может иметь значения между диапазоном 50.

Теперь мы увидим связь между α, β и γ факторами. Этот коэффициент усиления тока равен γ. Следовательно, отношения между α, β и γ приведены ниже. Теперь подставим эти значения в приведенное выше уравнение. Эти общие схемы конфигурации эмиттера используются в качестве усилителей напряжения. Поэтому мы используем один из трех терминалов как общий терминал для обоих входных и выходных действий. В этой конфигурации мы используем терминал эмиттера как общий терминал, поэтому он называется конфигурацией с общим эмиттером.

Условное обозначение транзисторов и внешний вид транзисторов

Ниже приведено условное обозначение транзистора на схеме, и несколько примеров того, как выглядит транзистор:

Обратите внимание, что три вывода на схеме обозначены как G (Gate) — Затвор, S (Source) – Исток и D (Drain) — Сток.

Корпус транзисторов

На рисунке выше, изображены три разных типа корпуса транзисторов. Тип корпуса слева обозначается как ТО-92 , корпус посередине ТО-220 , и корпус справа именуется как транзистор в металлическом корпусе.

История появления транзисторов

Эта конфигурация используется как одноступенчатая схема общего эмиттерного усилителя. В этой конфигурации база действует как входной терминал, коллектор действует как выходной терминал и эмиттер в качестве общего терминала. Работа этой схемы начинается с смещения базовой клеммы таким образом, что прямое смещение соединения базового эмиттера. Небольшой ток в базе управляет потоком тока в транзисторе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов со стороны выхода.

Этот общий эмиттерный усилитель дает инвертированный выход и может иметь очень высокий коэффициент усиления. На это значение усиления влияет температура и ток смещения. Ток усиления для этой конфигурации всегда больше единицы, обычно это типичное значение. Эти усилители конфигурации в основном используются в приложениях, где требуются низкочастотный усилитель и радиочастотные схемы. Ниже приведена принципиальная схема конфигурации усилителя общего эмиттера.

Что касается металлического корпуса, то он практически больше не применяется. Транзисторы малой и средней мощности выпускаются в корпусе ТО-92, в то время как мощные изготавливаются в ТО-220.

Ниже представлено наиболее распространенные сопоставления выводов полевого транзистора в корпусах ТО-92 и ТО-220.

Корпус ТО-92

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы можно рассматривать как электронные коммутаторы. Транзистор используется для включения различных устройств, таких как двигатели, фонари и так далее. Так же, как и выключатель света в комнате, транзистор может включать и выключать лампочку накаливания.

Питание полупроводниковых элементов

Ниже приведено семейство кривых выходных характеристик биполярного транзистора. Кривые показывают зависимость между током коллектора и напряжением коллектора-эмиттера при изменении основного тока. Уже известно, что ток эмиттера представляет собой сумму базовых и коллекторных токов. то есть ток, протекающий через резистивную нагрузку, равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора дается выражением.

Транзистор в качестве переключателя

Область вдоль этой линии нагрузки представляет собой «активную область» транзистора. Кривые общих характеристик эмиттера используются для расчета тока коллектора при заданном напряжении коллектора и базовом токе. Транзисторы можно найти в различных электрических устройствах и в настоящее время незаменимы. Вы всегда задавались вопросом, как работает транзистор и как он используется в мире компьютеров? Проще говоря, транзистор отвечает за управление низкими напряжениями. Таким образом, транзисторы могут регулировать ток в цепях и искать из-за этого практического применения в различных областях.

Это достаточно удобно, так как небольшой источник напряжения может быть использован для коммутации большого источника напряжения. Давайте рассмотрим это на простом примере с использованием обычной лампочкой.

Термин транзистор является сокращением для английского термина «передающий резистор», который описывает транзистор как резистор, который может контролироваться током. Его функциональность делает транзистор незаменимым для широкого спектра применений. Используются ли компьютерные системы, силовая электроника или коммуникационные технологии — везде используемые транзисторы.

Вот как работает транзистор

Уже один.

  • Из-за их сопротивления транзисторы предотвращают течение тока.
  • Теперь, когда напряжение подается, ток можно регулировать.
  • Таким образом, в качестве переключателей используются транзисторы.
  • Нижние, затвор и источник — это части, составляющие транзистор.
  • Когда ворота заряжаются положительно, ток может течь.
Полупроводниковые углеродные нанотрубки на основе транзисторов составляют лишь половину размеров кремниевых транзисторов.

На рисунке выше мы имеем транзистор, подключенный к лампочке и к двум различным источникам питания. Давайте сперва посмотрим на левую половину схемы:

  • Минус низковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс низковольтной батареи подсоединен к затвору транзистора.

В этой конфигурации транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток протекает через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину схемы:

У полупроводниковой промышленности есть проблема: история успеха непрерывной миниатюризации интегральных схем, которая продолжается уже более пяти десятилетий, описанная законом Мура, угрожает подойти к концу. По крайней мере, что касается материала основы кремния, миниатюризация транзисторов, похоже, сталкивается с очень жесткими физическими пределами. Возможной альтернативой являются транзисторы на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок.

Несмотря на предсказуемые проблемы с кремнием, «Международная технологическая дорожная карта для полупроводников», прогноз о будущем развитии полупроводниковой технологии, который считается общей нитью для производителей микросхем и устройств, имеет амбициозные цели: в течение следующего десятилетия размер транзисторов, включая все компоненты, должен увеличиться от чуть менее 100 до 40 нанометров. Как сообщают исследователи, наиболее важными предпосылками для этого успеха были специальные методы контактирования, производство высокочистых углеродных труб и их самоорганизованная компоновка.

  • Минус высоковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс высоковольтной батареи подключен к одному из выводов лампочки.

Другой вывод лампочки подключен к стоку транзистора.

Поскольку транзистор открыт, то больший ток протекает через лампочку, далее через транзистор от стока к истоку. Если вы отключите низковольтную батарею от транзистора, то транзистор закроется, а лампочка погаснет.

Хотя в последние годы были введены различные транзисторы из углеродных нанотрубок, характерные размеры которых отличаются от текущих кремниевых транзисторов, но все они имеют общие размеры, которые были значительно выше, чем у их аналогов из кремния. Основная проблема заключалась в контактировании трубок: для того, чтобы уменьшить электрическое сопротивление достаточно далеко, необходимы контакты для источника и стока длиной от 100 до 200 нанометров. Используя сплав кобальта и молибдена для контактов, исследователи смогли снизить температуру обработки при контакте на 200 градусов.

Обратите внимание, что транзистор здесь работает в качестве ключа, включая и выключая лампочку под действием низковольтного напряжения.

Данная схема не особо полезна на практике. Однако, когда мы заменим низковольтную батарею другим источником напряжения, то транзисторный ключ становится намного интереснее.

Разновидности транзисторов и сфера применения

С одной стороны, удалось уменьшить длину контактов до десяти нанометров с достаточной проводимостью, а с другой — сохранить структуру ширины зазора между источником и дренажем на двадцать нанометров. Сердцем нового транзистора является одностенная углеродная трубка диаметром около одного нанометра, которая обладает полупроводниковыми свойствами благодаря своей особой структуре и образует канал транзистора. После осаждения трубки на кремниевую подложку длина всего устройства ограничивается сотнями нанометров через оксид кремния, нормальный к трубе.

Вместо того чтобы переключать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать его и выключать с помощью других источников напряжения. В качестве примера приведем несколько источников сигнала, способных влиять на переключения транзистора:

  • Микрофон, создающий переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
  • Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
  • Датчик влажности.

Обратите внимание, что все перечисленные выше датчики реагирует на различные источники сигнала. Используя их слабое выходное напряжение можно управлять гораздо более мощным устройством.

Между этими возвышениями контакты источника и стока затем помещаются на трубку, и все покрывается тонким слоем оксида алюминия, образуя затвор длиной около десяти нанометров. Наконец, металлические затворы заполняют зазор, и транзистор выполнен. Эта установка служила исследователям в первую очередь для оценки производительности отдельных трубок. Однако для практических технических применений необходимы каналы из нескольких параллельных трубок. Только тогда могут быть достигнуты требуемые токи. Для достижения такой конструкции исследователи покрыли подложку, на которой уже был нанесен большой затворный электрод, полностью с трубками, которые выровнены параллельно и покрывали всю поверхность.

Следующий пример применения транзистора

В данном примере мы имеем микрофон, соединенный с затвором полевого транзистора и лампу накаливания, подключенную к транзистору и повышенному источнику питания. Теперь при улавливании звука микрофоном, лампочка будет загораться. И чем громче будет звук, тем ярче будет светиться лампа.

Затем они вытравливают все, кроме последней области канала, и связывают и наносят нанотрубки по-прежнему — с той разницей, что ворота теперь были ниже канала. Кроме того, этот транзистор был ограничен общей длиной сорок нанометров, но поставлял токи, которые были выше, чем текущие компоненты кремния. Хотя это всего лишь демонстрация одного транзистора, остается неясным, будет ли интеграция миллиардов таких устройств технически осуществимой или экономически жизнеспособной, однако исследовательская группа в Стэнфордском университете несколько лет назад показала, что компьютеры на основе углеродных нанотрубок может работать.

Это происходит потому, что микрофон создает напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе происходит отпирание транзистора, в результате чего через транзистор начинает течь ток от стока к истоку.

Им удалось объединить 178 транзисторов в одну цепь и запустить на них рабочую операционную систему. В прошлом году другая американская исследовательская группа слушала несколько другую версию транзистора с углеродными нанотрубками. В качестве канала использовался двумерный полупроводниковый материал, в то время как трубка использовалась в качестве электрода затвора поперек его — и устанавливала ученого с диаметром одного нанометра рекорд для самых коротких ворот в мире.

Какой транзистор требуется?

В общем, транзистор является компонентом, который может использоваться для усиления токов. Вы можете переключить большой ток нагрузки с малым током управления. Существует много разных типов транзисторов. Вначале мы имеем дело только с так называемыми биполярными транзисторами. Они могут использоваться для самых разных задач.

Фактически, в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.

Примечание: в этой схеме мы использовали громкоговоритель в качестве микрофона, так как динамик генерирует более сильное напряжение по сравнению с Электродинамическим микрофоном.

Ваши схемы выглядят так. На стрелке на эмиттере вы можете видеть, какой тип транзистора он есть. Схема может выглядеть так.

Резистор гарантирует, что, когда переключатель разомкнут, на основание транзистора подается напряжение 0 В, так что он полностью отключается.

Сопротивление ограничивает ток, текущий в базу транзистора. Когда переключатель разомкнут, ток не течет в базу транзистора. Когда мы закрываем переключатель, небольшой ток, ограниченный резистором, втекает в базу транзистора. Это усиливается транзистором и генерирует большой ток коллектора.

Данная схема аналогична предыдущей, только теперь вместо лампы подключен электродвигатель. Это позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя силой звука поступающего в динамик.

Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее двигатель будет вращаться.

Базовый ток течет на землю через эмиттер после завершения работы. Иногда это необходимо, но часто приводит к неправильным предположениям относительно функции, особенно для новичков.

Сначала эта схема не выглядит неправильной: когда мы включаем переключатель, небольшой ток протекает через резистор в базу транзистора и контролирует его.

Это можно объяснить следующим образом: теперь он течет через 5 В через нагрузочный резистор и базовый резистор в базе транзистора, поэтому это все еще работает. Один из способов решения этой проблемы — использовать его как управляющее напряжение 12В.

Здесь эффект усиления тока поддерживается, но управляющее напряжение и напряжение нагрузки должны быть одинаковыми.

Транзистор в режиме инвертора

До сих пор все наши примеры были основаны на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор так же может работать и в инверсном режиме, это когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.

Рассмотрим данный режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, издающей звук при обрыве тонкого провода охранного шлейфа.

Сперва, мы должны с типами полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов проводимости: P-канальный и N-канальный.

Единственная разница в символьном обозначении является направление стрелки затвора.

До сих пор все наши примеры были связаны с полевым транзистором N-канальным. Транзисторы данного типа доминируют в радиоэлектронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Тем не менее, в следующем примере мы используем Р-канальный полевой транзистор.

Помните, что Р-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в тот момент, когда на его затворе находится управляющее напряжение. Поэтому, как видно из вышеприведенной схемы, звуковой генератор (buzzer) будет в выключенном состоянии до тех пор, пока провод цел. Как только провод будет разорван, напряжение на затворе пропадет, и транзистор начнет пропускать ток, и активирует звуковой генератор.

Пока охранный шлейф не оборван, основная аккумуляторная батарея бездействует и тем самым сохраняет свой заряд. В тоже время, для обеспечения напряжения на затворе транзистора необходимо ничтожно малый ток малой батареи, и ее хватит на очень длительный срок.

Мы так же можем оптимизировать данную схему и использовать всего один источник питания. Все, что мы должны сделать, это подключить охранный шлейф к затвору и плюсу большой батареи и исключить малую батарею.

перевод: http://efundies.com/

Транзистор – электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Если быть точнее, то транзистор позволяет регулировать силу электрического тока подобно тому, как водяной кран регулирует поток воды . Отсюда следуют две основные функции прибора в электрической цепи — это усилитель и переключатель.

Существует бесконечное множество разных типов транзисторов – от огромных усилителей высокой мощности размером с кулак, до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в считанные десятки нанометров (в одном метре 10 9 нанометров).

Что значит слово «транзистор» и как это связано с его работой?

Слово «транзистор» происходит от двух английских слов — «transfer» (переносить) и «resistor» (сопротивление). Что можно буквально перевести, как «переходное сопротивление». Однако, лучше всего для описания работы этого прибора, подойдет название «переменное сопротивление». Поскольку в электронной цепи, транзистор ведет себя именно как переменное сопротивление. Только если у таких переменных резисторов, как потенциометр и обычный выключатель, нужно менять сопротивление с помощью механического воздействия, то у транзистора его меняют посредством напряжения, которое подается на один из электродов прибора.

Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor).

Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET — Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) .

Применение биполярных транзисторов.

На сегодняшний день биполярные транзисторы получили самое широкое распространение в аналоговой электронике. Если быть точнее, то чаще всего их используют в качестве усилителей в дискретных цепях (схемах, состоящих из отдельных электронных компонентов).

Также нередко отдельные БТ используются совместно с интегральными (состоящими из многих компонентов на одном кристалле полупроводника) а налоговыми и цифровыми микросхемами. В этом возникает необходимость, например, когда нужно усилить слабый сигнал на выходе из интегральной схемы, обычно не располагающей высокой мощностью.

Применение полевых транзисторов.

В области цифровой электроники, полевые транзисторы, а именно полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), практически полностью вытеснили биполярные благодаря многократному превосходству в скорости и экономичности. Внутри архитектуры логики процессоров, памяти, и других различных цифровых микросхем, находятся сотни миллионов, и даже миллиарды MOSFET, играющих роль электронных переключателей.

Базовая электроника — типы транзисторов

Существует много типов транзисторов. Каждый транзистор специализируется на своем применении. Основная классификация заключается в следующем.

Первичный транзистор — BJT, а FET — современная версия транзистора. Давайте посмотрим на BJT.

Биполярный переходной транзистор

Транзистор с биполярным переходом, кратко называемый BJT , называется так, поскольку он имеет два PN перехода для своей функции. Этот BJT — не что иное, как обычный транзистор. Имеет два типа конфигураций NPN и PNP . Обычно NPN-транзистор является предпочтительным для удобства. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный BJT.

Типами BJT являются NPN и PNP транзисторы. Транзистор NPN сделан, помещая материал p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор PNP сделан, помещая материал n-типа между двумя материалами p-типа.

BJT — устройство, контролируемое током. Обычный транзистор, который мы обсуждали в предыдущих главах, подпадает под эту категорию. Функциональность, конфигурации и приложения одинаковы.

Полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой трехполюсное однополярное полупроводниковое устройство. Это устройство, управляемое напряжением, в отличие от биполярного переходного транзистора. Основным преимуществом FET является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, который составляет порядка мегаомов. Он имеет много преимуществ, таких как низкое энергопотребление, низкое тепловыделение, а полевые транзисторы являются высокоэффективными устройствами. На следующем рисунке показано, как выглядит практический FET.

FET является однополярным устройством , что означает, что оно изготовлено с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Следовательно, текущая проводимость полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.

Особенности FET

Ниже приведены различные характеристики полевого транзистора.

  • Униполярный — Униполярный, поскольку дырки или электроны ответственны за проводимость.

  • Высокий входной импеданс — Входной ток в FET протекает из-за обратного смещения. Следовательно, он имеет высокий входной импеданс.

  • Устройство, управляемое напряжением. Поскольку выходное напряжение полевого транзистора контролируется входным напряжением затвора, полевой транзистор называется устройством, управляемым напряжением.

  • Низкий уровень шума — на пути проводимости отсутствуют соединения. Следовательно, шум ниже, чем в BJT.

  • Усиление характеризуется как трансдуктивность. Transconductance — это отношение изменения выходного тока к изменению входного напряжения.

  • Выходной импеданс полевого транзистора низкий.

Униполярный — Униполярный, поскольку дырки или электроны ответственны за проводимость.

Высокий входной импеданс — Входной ток в FET протекает из-за обратного смещения. Следовательно, он имеет высокий входной импеданс.

Устройство, управляемое напряжением. Поскольку выходное напряжение полевого транзистора контролируется входным напряжением затвора, полевой транзистор называется устройством, управляемым напряжением.

Низкий уровень шума — на пути проводимости отсутствуют соединения. Следовательно, шум ниже, чем в BJT.

Усиление характеризуется как трансдуктивность. Transconductance — это отношение изменения выходного тока к изменению входного напряжения.

Выходной импеданс полевого транзистора низкий.

Преимущества FET

Чтобы предпочесть FET, а не BJT, должно быть несколько преимуществ использования FET, а не BJT. Попробуем обобщить преимущества FET над BJT.

JFET BJT
Это однополярное устройство Это биполярное устройство
Устройство с питанием от напряжения Текущее управляемое устройство
Высокий входной импеданс Низкое входное сопротивление
Низкий уровень шума Высокий уровень шума
Лучшая термическая стабильность Меньшая термостойкость
Усиление характеризуется трансдуктивностью Усиление характеризуется усилением напряжения

Применение FET

  • FET используется в цепях для уменьшения эффекта нагрузки.

  • Полевые транзисторы используются во многих цепях, таких как буферный усилитель, генераторы фазового сдвига и вольтметры.

FET используется в цепях для уменьшения эффекта нагрузки.

Полевые транзисторы используются во многих цепях, таких как буферный усилитель, генераторы фазового сдвига и вольтметры.

FET терминалы

Хотя FET является трехполюсным устройством, они не совпадают с BJT-терминалами. Три терминала FET — это ворота, источник и слив. Терминал источника в FET аналогичен эмиттеру в BJT, а Gate аналогичен базе и стоку в коллектор.

Символы FET для типов NPN и PNP показаны ниже.

Источник

  • Клемма источника в полевом транзисторе — это та, через которую несущие входят в канал.

  • Это аналогично выводу эмиттера в биполярном переходном транзисторе.

  • Терминал источника может быть обозначен как S.

  • Ток, поступающий в канал на терминале источника, обозначается как IS.

Клемма источника в полевом транзисторе — это та, через которую несущие входят в канал.

Это аналогично выводу эмиттера в биполярном переходном транзисторе.

Терминал источника может быть обозначен как S.

Ток, поступающий в канал на терминале источника, обозначается как IS.

Ворота

  • Клемма затвора в полевом транзисторе играет ключевую роль в функции полевого транзистора, контролируя ток через канал.

  • Подавая внешнее напряжение на клемму затвора, можно контролировать ток через него.

  • Ворота — это комбинация двух внутренних клемм, которые сильно легированы.

  • Говорят, что проводимость канала модулируется терминалом затвора.

  • Это аналогично базовой клемме в биполярном переходном транзисторе.

  • Терминал Gate может быть обозначен как G.

  • Ток, поступающий в канал на терминале Gate, обозначается как IG.

Клемма затвора в полевом транзисторе играет ключевую роль в функции полевого транзистора, контролируя ток через канал.

Подавая внешнее напряжение на клемму затвора, можно контролировать ток через него.

Ворота — это комбинация двух внутренних клемм, которые сильно легированы.

Говорят, что проводимость канала модулируется терминалом затвора.

Это аналогично базовой клемме в биполярном переходном транзисторе.

Терминал Gate может быть обозначен как G.

Ток, поступающий в канал на терминале Gate, обозначается как IG.

Сливной

  • Сливная клемма в полевом транзисторе — это та, через которую несущие покидают канал.

  • Это аналогично клемме коллектора в биполярном переходном транзисторе.

  • Напряжение стока к источнику обозначается как VDS.

  • Сливной терминал может быть обозначен как D.

  • Ток, покидающий канал на сливном терминале, обозначается как I D.

Сливная клемма в полевом транзисторе — это та, через которую несущие покидают канал.

Это аналогично клемме коллектора в биполярном переходном транзисторе.

Напряжение стока к источнику обозначается как VDS.

Сливной терминал может быть обозначен как D.

Ток, покидающий канал на сливном терминале, обозначается как I D.

Типы FET

Есть два основных типа FETS. Это JFET и MOSFET. На следующем рисунке приведена дополнительная классификация полевых транзисторов.

В последующих главах мы подробно обсудим JFET и MOSFET.

Intel решила догнать и перегнать конкурентов, отказавшись от слова нанометр

| Поделиться Intel решила переименовать техпроцессы проивзодства чипов – старая схема, опирающаяся на физический размер транзистора, устарела и малоинформативна. Новая тоже не дает четкого представления об изделиях на ее основе, но демонстрирует, что технологическая отсталость чипмейкера от своих конкурентов не так уж велика – это важно в связи с грядущим выходом Intel на рынок контрактного производства. Intel не теряет надежд догнать и перегнать TSMC в течение четерых следующих лет. Для этого компания внедрит EUV, перейдет к полупроводниковым технологиям уровня ангстремов и начнет использовать инновационный GAA-транзистор, с разработкой которого ей, возможно, помогла IBM.

Intel расписала план развития технологий до 2025 года

Intel представила дорожную карту развития технологий производства микропроцессоров до 2025 г.

Согласно анонсированному плану, корпорация изменит подход к именованию собственных технологических процессов, чтобы привести их в соответствие с принятыми в отрасли, в частности, компаниями TSMC и Samsung. Теперь в названии техпроцесса не будут фигурировать какие-либо единицы измерения длины. Вместо этого Intel будет обозначать техпроцесс, опираясь на соотношение между производительностью и энергопотреблением чипов на его базе.

Intel также представила новую архитектуру транзисторов RibbonFET – впервые за последние 10 лет, а также рассказала о технологии PowerVia, которая предлагает новый подход к подаче питания на транзисторы очень малого размера.

История и будущее инноваций в техпроцессах Intel

Кроме того, компания заявила о планах по внедрению фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) нового поколения (High-NA EUV). Intel рассчитывает завершить этот процесс первой в отрасли при помощи оборудования нидерландской ASML.

Чипмейкер рассчитывает догнать лидера отрасли TSMC к 2024 г. по показателю совершенства внедренного техпроцесса, а в 2025 г. и вовсе вернуть себе пальму первенства. Однако стоит иметь в виду, что Intel под этим понимает отношение производительности выпускаемых процессоров к потребляемой мощности, а не, например, применение самых компактных транзисторов в мире.

Новые названия техпроцессов

Итак, Intel отказывается от номенклатуры техпроцессов, которая включает слово «нанометры». 10-нанометровый процесс Enhanced SuperFin теперь называется Intel 7. По данным корпорации, у Intel 7 показатель производительности на единицу потребляемой мощности на 10–15% выше в сравнении с предшественником – 10-нм SuperFin. Intel 7 применяется при производстве новых процессоров семейств Alder Lake и Sapphire Rapids, которые предназначены для потребительского и серверного сегментов соответственно. Поставки чипов Alder Lake должны стартовать в 2021 г., Sapphire Rapids – в I квартале 2022 г.

Новая система именования техпроцессов Intel

Intel 4 (ранее Intel 7 нм) компания рассчитывает освоить ко второй половине 2022 г. Intel обещает прирост производительности на ватт на уровне по сравнению с предыдущим поколением на уровне 20%. Переход на данный техпроцесс также ознаменует полную адаптацию Intel к применению технологии EUV. Именно отставание в ее освоении называют в качестве причин задержки компании с выпуском 10-нм чипов. Технология Intel 4 будет применяться в настольных и мобильных процессорах Meteor Lake, а также серверных процессорах Granite Rapids, которые, как ожидается, появятся на рынке в 2023 г.

Техпроцесс Intel 3 (ранее Intel 7+ нм) должен обеспечить увеличить производительность на ватт примерно на 18% относительно предшественника. Процессоры на базе Intel 3 будут готовы к массовому производству во второй половине 2023 г.

Исторически в названии производственного процесса полупроводников фигурировало число, которое соответствовало длине затвора транзистора. Однако в 1994 г. производители перестали следовать этому правилу. До 2009 г. длина затвора была меньше заявленного в названии значения, а затем «нанометры» взяли на вооружение маркетологи, из-за чего цифры в названии техпроцесса стали иметь мало общего с фактическими размерами транзисторов или плотностью их расположения в интегральной схеме. Например, актуальный 10-нм процесс Intel (FinFET) по размеру и плотности размещения транзисторов примерно соответствует 7-нм процессу TSMC.

Решение отказаться от традиционного числового определения производственных норм в нанометрах, по всей видимости, связано с недавним решением Intel выйти на рынок контрактного производства. Здесь американская корпорация будет напрямую конкурировать с гигантами вроде тайваньской TSMC и южнокорейской Samsung, поэтому пересмотр принципа именования производственных норм выглядит логичным – так заказчикам будет проще ориентироваться на рынке.

Ангстремная эра, транзисторы RibbonFET и технология PowerVia

Первая половина 2024 г., согласно планам Intel, ознаменуется наступлением эры ангстрема, в которой некоторые физические характеристики чипов можно будет выразить только в десятых долях нанометра – ангстремах (десятимиллиардных долях метра).

Первый техпроцесс Intel новой эры будет иметь обозначение 20A (A – angstrom, ангстрем), однако это не значит, что транзистор обязательно будет соответствующего размера. Тем не менее, технология производства Intel 20A предусматривает использование новых транзисторов под названием RibbonFET. Это первый транзистор Intel с кольцевым затвором (GAA, Gate-all-around) и первый транзистор новой архитектуры, выпущенный Intel с 2011 г.

RibbonFET отличается от используемых сейчас FinFET тем, что в первом каждый из четырех его каналов окружен затвором не с трех, а с четырех сторон. Такая конструкция, по оценке Intel, позволяет увеличить скорость переключения устройства при использовании такого же управляющего тока.

Схематичное изображение транзистора RibbonFET с кольцевым затвором

Кроме того, в техпроцессе Intel 20A чипмейкер планирует использовать технологию PowerVia – подачу питания с обратной стороны кристалла через межкремниевые соединения. Запуск Intel 20A ожидается в 2024 г. В частности, продукция Qualcomm будет выпускаться по техпроцессу Intel 20A, однако пока не известно, что это будут за чипы.

Что нужно знать при выборе ВКС

Рынок видеоконференцсвязи 2021

На начало 2025 г. намечено освоение техпроцесса Intel 18A. Именно тогда Intel рассчитывает внедрить EUV-литографию с высокой числовой апертурой (High-NA EUV).

Проблемы Intel и пути их решения

Intel испытала серьезные проблемы с внедрением 10-нанометрового техпроцесса, неоднократно откладывая его.

Сперва корпорация обещала начать выпуск 10-нанометровых чипов в 2015 г., после чего последовало несколько сообщений о задержке. В результате официальная дата выхода нового поколения микросхем была перенесена на 2017 г., но затем вновь сдвинута на второе полугодие 2018 г. В конце апреля 2018 г. тогдашний глава компании Брайан Кржанич (Brian Krzanich), объявил о том, что Intel сможет запустить 10-нанометровые процессоры в массовое производство не ранее 2019 г.

В конце мая 2019 г. Intel официально представила свои первые массовые 10-нанометровые процессоры – чипы Ice Lake на базе новой архитектуры Sunny Cove, предназначенные для мобильных устройств.

10 простых шагов: Как обеспечить безопасность КИИ

Инфраструктура

Пока Intel «покоряла» 10 нанометров и осуществляла реорганизацию производственного подразделения, его главный конкурент – компания AMD – успешно освоила нормы техпроцесса 7 нм.

В марте 2021 г. Intel анонсировала новую стратегию своего развития на ближайшие годы, получившую название IDM 2.0. Для ее реализации Intel вернула в штат нескольких ценных экс-сотрудников.

В рамках реализации стратегии чипмейкер планировал построить два новых завода за три года и $20 млрд, перейти на 7 нм в 2023 г. и стать партнером многих крупных производителей чипов, которые помогут ему в выпуске собственных процессоров.

В частности, Intel упоминала о партнерстве с IBM, которая в начале мая 2021 г. представила первый GAA-транзистор размером 2 нм и тестовый чип на его основе. Tom’s Hardware предполагает, что IBM могла оказать Intel помощь в разработке фирменных транзисторов RibboFET.

В начале июля 2021 г. CNews писал о том, что, по некоторым данным, Intel выпустит свой первый 3-нанометровый процессор в начале 2023 г., причем сделает это в сотрудничестве с TSMC. Также в июле 2021 г. сообщалось о возможном приобретении Intel компании GlobalFoundries, входящую в тройку крупнейших мировых производителей полупроводников, за $30 млрд. Однако позже представители последней опровергли информацию о будущей сделке.

Дмитрий Степанов



Что такое VRM материнской платы | Материнские платы | Блог

VRM (Voltage Regulator Module) является неотъемлемым и одним из важнейших элементов материнской платы, который отвечает за питание центрального процессора. Высокочастотные чипы, такие как ЦПУ компьютера, очень чувствительны к качеству питания. Малейшие неполадки с напряжением или пульсациями могут повлиять на стабильность работы всего компьютера. VRM представляет собой не что иное, как импульсный преобразователь, который понижает 12 вольт, идущие от блока питания, до необходимого процессору уровня. Именно от VRM зависит подаваемое на ядра напряжение. 

Принцип работы VRM был описан в более ранней статье, а сейчас мы рассмотрим, из чего состоит подсистема питания процессора.

VRM состоит из пяти основных составляющих: MOSFET-транзисторы, дроссели, конденсаторы, драйверы и контроллер.

Транзисторы

«MOSFET» является аббревиатурой, которая расшифровывается как «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor». Так что MOSFET — это полевой МОП-транзистор с изолированным затвором.

Дроссели

Дроссели — это катушки индуктивности, которые стабилизируют напряжение. Вместе с конденсаторами они образуют LC-фильтр, позволяющий избавиться от скачков напряжения и уменьшить пульсации. В современных материнских платах дроссели выглядят как темные кубики, находящиеся около МОП-транзисторов.

Конденсаторы

В современных платах твердотельные полимерные конденсаторы уже давно вытеснили электролитические. Это связано с тем, что полимерные конденсаторы имеют намного больший срок эксплуатации. Конденсаторы помогают стабилизировать напряжение и уменьшать пульсации.

Контроллер

Контроллер — чип, рассчитывающий, с каким сдвигом по времени будет работать та или иная фаза. Является «мозгом» всей VRM.

Драйвер

Драйвер — это чип, исполняющий команды контроллера по открытию или закрытию полевого транзистора.

Охлаждение — зачем оно нужно

Существует прямая связь между энергопотреблением процессора и нагревом VRM. Чем больше потребляет процессор, тем больше нагрузка на цепи питания, и, следовательно, больше их нагрев. MOSFET-транзисторы во время работы выделяют значительное количество тепла. Поэтому на них устанавливают пассивное охлаждение в виде радиатора, чтобы избежать перегрева и нестабильной работы. Производители материнских плат начального уровня часто экономят на этом, оставляя цепи питания без охлаждения, что, конечно, не очень хорошо, но не слишком критично, поскольку на подобные материнские платы обычно не ставят топовые процессоры с высоким TDP.

На транзисторы цепей питания можно не ставить охлаждение при условии, что температура во время нагрузки не будет превышать допустимых значений. Поэтому без охлаждения VRM очень нежелательно устанавливать «прожорливые» процессоры. На материнских платах, рассчитанных под оверклокинг, обязательно имеется охлаждение.

В самых топовых платах, помимо обычного радиатора, можно встретить испарительную камеру или водоблок для подключения к контуру СЖО.

Количество фаз

У неопытных пользователей именно эта характеристика зачастую становится ключевой при выборе материнской платы. Производители знают об этом и часто прибегают к различным уловкам. Чаще всего можно встретить использование двойного набора компонентов для одной фазы, что создает видимость большего количества фаз. Количество и характеристики фаз обычно не указываются производителями в расчете на то, что неопытный покупатель увидит много дросселей и купит плату, решив, что «больше — лучше».

Чтобы узнать реальное количество фаз и используемые компоненты, нужно посмотреть характеристики установленного на материнскую плату ШИМ-контроллера в технической спецификации. Количество дросселей далеко не всегда говорит о реальном количестве фаз. Кроме того, стоит учитывать, что некоторые драйверы способны работать в качестве удвоителя фазы. Это позволяет увеличить количество фактических фаз без использования более продвинутого ШИМ-контроллера.

Конфигурация фаз питания

В описаниях материнских плат часто можно увидеть такие обозначения, как 8+2, 4+1, и т. п. Эти цифры означают количество фаз, отведенных на питание ЦПУ и остальных элементов. Например, 8+2 означает, что 8 фаз отведено на питание ядер процессора, а оставшиеся 2 рассчитаны на контроллер памяти.

От количества фаз зависит уровень пульсаций, действующих на процессор. Чем больше фаз, тем меньше пульсаций тока. Большее количество фаз означает большее количество MOSFET-транзисторов в цепи, что положительно сказывается на температурных показателях. Кроме того, чем больше транзисторов, тем легче будет поставить высокое напряжение на ядра, что позитивно скажется на оверклокинге. В большом количестве фаз, по большому счету, имеются только плюсы. Главным и единственным недостатком, пожалуй, является лишь высокая цена.

Источники изображений: HWP, chipdip, Gigabyte, price-altai, electro-goods, pcdvd

Приблизьтесь к компьютерному чипу: Посмотрите это видео, чтобы в полной мере оценить, насколько волшебными являются современные микрочипы

Этот сайт может зарабатывать партнерские комиссионные за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

Я не думаю, что вы понимаете, насколько волшебным является компьютерный чип в основе вашего смартфона или ПК.В случае SoC смартфона у вас, по сути, есть один пакет размером меньше квадратного дюйма, который позволяет вам делать практически все, от игр до доступа к сотовой сети и бесконтактной оплаты продуктов. Для этого внутри каждого чипа есть миллиарды крошечных переключателей, которые включаются и выключаются до четырех миллиардов раз в секунду. Современный компьютерный чип действительно чудо, особенно если учесть, что первые интегральные схемы, созданные всего 50 лет назад, состояли примерно из дюжины транзисторов.

Меня поражает не только богатая функциональность передовых компьютерных чипов, меняющая общество, но и совершенно ошеломляюще миниатюрный масштаб этих вещей. В современном чипе, построенном по 20-нм или 22-нм техпроцессу, каждый транзистор имеет площадь примерно 30 нанометров. Одна ячейка SRAM, состоящая из шести транзисторов, имеет площадь около 0,1 микрометра (или 100 нанометров, если хотите). Если вы отрежете крошечную полоску от человеческого волоса, вы можете получить около 500 ячеек SRAM — 3000 транзисторов — в поперечном сечении.Вы даже можете втиснуть около 60 ячеек SRAM или 360 транзисторов на площадь размером с эритроцит человека — и каким-то образом, несмотря на то, что один чип содержит миллиарды этих крошечных элементов, они могут непрерывно работать на частоте в миллиарды герц в течение десятилетий. .

Я мог бы продолжать, но это видео довольно хорошо показывает, как много всего мы впихиваем в один чип. Он начинается с фотографии чипа без крышки, а затем увеличивается серия фотографий, прежде чем переключиться на сканирующую электронную микроскопию.

В этом видео есть несколько замечаний. Во-первых, это довольно старый чип — современный чип от Intel или TSMC был бы намного плотнее. Во-вторых, вы можете видеть только первую пару слоев — несколько соединительных медных проводов и верхние части некоторых транзисторов; Последние 14-нм чипы Intel Broadwell состоят из 13 слоев.

Так выглядит современный чип под электронным микроскопом — в данном случае это один из 14-нанометровых чипов Intel FinFET Broadwell.

Если вы хотите узнать больше о ЦП, прочитайте наш пояснитель о кэшах L1 и L2 — или о том, что на самом деле делает ЦП, когда он простаивает. Если вы склонны к авантюрам, у нас также есть история о том, как разбивать фишки и делать собственные броски.

Что такое процессорный транзистор? (с рисунками)

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое переключает и усиливает электронные сигналы. Он имеет как минимум три клеммы, которые соединяют его с электронной схемой.Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов и быстро заменил электронные лампы в электронных устройствах. Эти устройства в настоящее время являются важным компонентом почти всех электронных устройств, таких как центральный процессор (ЦП) компьютера. Транзистор ЦП обычно является частью интегральной схемы, хотя его также можно приобрести отдельно.

Центральный процессор (CPU).

Выводы в транзисторе ЦП имеют определенные названия в зависимости от типа транзистора. Выводы простого биполярного транзистора называются коллектором, эмиттером и базой. Ток или напряжение, подаваемое на базу, влияет на ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Процессор.

Напряжение на базе транзистора можно использовать для включения и выключения тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. Этот тип транзистора является переключателем и является распространенным типом транзистора ЦП, называемым логическим вентилем. Переключатель обычно не пропускает через себя ток, если напряжение на базе не превышает минимального порога.Напряжение на базе контролируется другими компонентами в цепи.

Транзистор процессора также может быть усилителем. Этот тип транзистора использует напряжение на базе для управления величиной тока, протекающего через усилитель.Это означает, что небольшое изменение напряжения на базе может привести к большой разности напряжений между коллектором и эмиттером.

Транзисторы

обеспечивают значительные преимущества перед электронными лампами в компьютерах. Транзистор ЦП намного меньше своего эквивалента на электронной лампе, что позволяет миниатюризировать компьютеры.Производство транзисторов может быть автоматизировано в большей степени, чем производство электронных ламп, а это означает, что транзисторы дешевле электронных ламп.

Первый патент на транзистор был подан Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году, хотя на самом деле он не конструировал такое устройство.Герберт Матаре открыл полупроводниковые эффекты, работая над доплеровской радиолокационной системой в 1942 году. Затем технологии развивались, и в 1947 году, работая в Bell Labs компании AT&T, Уолтер Браттейн и Джон Бардин обнаружили, что кристалл германия может усиливать электрический ток. Гордон Тил построил первый кремниевый транзистор для Texas Instruments в 1954 году, а процессорный транзистор, который представляет собой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (МОП-транзистор), был впервые построен в Bell Labs в 1960 году.

Транзисторы центрального процессора являются важным компонентом компьютеров.

Транзисторы и компьютерная эра

Когда массовое производство слуховых аппаратов и радиоприемников на транзисторах стало реальностью, инженеры поняли, что транзисторы заменят электронные лампы и в компьютерах. Один из первых предтранзисторных компьютеров, знаменитый ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), весил 30 тонн, отчасти благодаря наличию в нем более 17 000 электронных ламп. Было очевидно, что транзисторы полностью изменят вычислительную технику и приведут к уменьшению размеров машин.

Германиевые транзисторы, безусловно, помогли начать компьютерную эру, но кремниевые транзисторы произвели революцию в дизайне компьютеров и породили целую индустрию в метко названной Силиконовой долине Калифорнии.

В 1954 году Джордж Тил, ученый из Texas Instruments, создал первый кремниевый транзистор. Вскоре после этого производители разработали методы массового производства кремниевых транзисторов, которые были дешевле и надежнее, чем транзисторы на основе германия.

Кремниевые транзисторы отлично подошли для производства компьютеров.Благодаря интеллектуальной инженерии транзисторы помогли компьютерам выполнять огромное количество вычислений за короткое время. Простое переключение транзисторов — это то, что позволяет вашему компьютеру выполнять чрезвычайно сложные задачи. В компьютерном чипе транзисторы переключаются между двумя двоичными состояниями — 0 и 1. Это язык компьютеров. В одном компьютерном чипе могут постоянно переключаться миллионы транзисторов, помогая выполнять сложные вычисления.

В компьютерном чипе транзисторы не изолированы, это отдельные компоненты.Они являются частью так называемой интегральной схемы (также известной как микрочип ), в которой множество транзисторов работают согласованно, помогая компьютеру выполнять вычисления. Интегральная схема представляет собой кусок полупроводникового материала, нагруженного транзисторами и другими электронными компонентами.

Компьютеры используют эти токи в сочетании с булевой алгеброй для принятия простых решений. С большим количеством транзисторов компьютер может очень быстро принимать множество простых решений и, таким образом, очень быстро выполнять сложные вычисления.

Для выполнения задач компьютерам нужны миллионы или даже миллиарды транзисторов. Благодаря надежности и невероятно малым размерам отдельных транзисторов, которые намного меньше диаметра одного человеческого волоса, инженеры могут упаковать непостижимое количество транзисторов в широкий спектр компьютеров и связанных с ними продуктов.

Что значит иметь 60 миллиардов транзисторов в компьютерном чипе? — Никлас Розенберг

Сегодня я прочитал, что Graphcore, производитель микросхем искусственного интеллекта из Великобритании, представила новый компьютерный чип, который объединяет 60 миллиардов транзисторов и почти 1500 процессорных блоков на одной кремниевой пластине.Этот «стартап» из Бристоля, основанный в 2016 году и сейчас оцениваемый в 2 миллиарда долларов, бросает вызов Nvidia с новым чипом, разработанным специально для работы с передовыми алгоритмами искусственного интеллекта.

Каким бы большим или маленьким ни был компьютерный чип в реальных физических размерах, 60 миллиардов транзисторов — это много. И это. Но что означает это ошеломляющее количество транзисторов на практике?

Прежде всего, следует помнить, что, хотя вычислительная мощность росла в геометрической прогрессии, базовая архитектура компьютерных микросхем, таких как центральные процессоры (ЦП), не сильно изменилась за последние 65 лет.Другими словами, форма, конструкция и реализация чипов со временем менялись, но принцип их работы остается почти неизменным. Это будет продолжаться до тех пор, пока мы не примем новую архитектуру процессора, например, с помощью квантовых процессоров.

«Традиционный» процессор — это просто «электронная схема в компьютере, которая выполняет инструкции, составляющие компьютерную программу», а традиционные вычисления основаны на нулях и единицах. Транзисторы необходимы в процессорах, потому что они работают как переключатели.Чип может содержать сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может включаться и выключаться по отдельности. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.

Основное правило состоит в том, что с большим количеством транзисторов процессор может выполнять все более сложные инструкции, чем раньше. Это, в свою очередь, приводит к нескольким преимуществам, таким как более высокая скорость обработки и увеличенный объем памяти.

Многие знакомы с законом Мура, который часто можно услышать в упрощенном варианте, т.е.е. что скорость процессора или общая вычислительная мощность компьютеров будет удваиваться каждые два года. На самом деле закон Мура — это наблюдение, согласно которому количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС или «чипе») удваивается примерно каждые два года. Вот что говорит об этом Википедия:

Наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor, генерального директора и соучредителя Intel, который в 1965 г. интегральной микросхемы, и прогнозируется, что такие темпы роста будут продолжаться, по крайней мере, еще одно десятилетие.В 1975 году, предвкушая следующее десятилетие, он пересмотрел прогноз, удваивая каждые два года, что составляет совокупный годовой темп роста (CAGR) 40%. Хотя Мур не использовал эмпирические данные для прогнозирования сохранения исторической тенденции, его прогноз оставался в силе с 1975 года и с тех пор стал известен как «закон».

2019. В то время как в чипах 1970-х годов было всего несколько тысяч транзисторов, в 2006 году была достигнута отметка в 1 миллиард — и теперь мы действительно упаковываем 60 миллиардов транзисторов в чип.

Перевернутые транзисторы делают компьютерные чипы более быстрыми | Наука

Дела у транзисторов идут в гору. Исследователи из IBM и Samsung создали первый прототип компьютерного чипа, в котором транзисторы стоят на концах. Это изменение позволит более плотно упаковать схемы и создать более быстрые или энергоэффективные устройства.

«Это крупный прорыв, — говорит Дэн Хатчесон, аналитик полупроводниковой отрасли из TechInsights. «Это дает нам представление о том, как будут выглядеть устройства следующего поколения.

С тех пор, как в 1960-х годах были построены первые интегральные схемы, полупроводниковые компании разработали транзисторы, которые лежат на кремниевых чипах плоско, а электрический ток проходит через них сбоку. Им также удалось уменьшить последующие поколения транзисторов еще меньше. Эта тенденция, известная как закон Мура, позволяет компаниям удваивать количество транзисторов на микросхемах каждые 2 года. Чипы, направляемые на заводы-изготовители в ближайшие несколько лет, втиснут ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в пространство размером с ноготь.

Одиночный вертикальный транзистор IBM

Но закон Мура ведет к нарушению. Транзисторы состоят из нескольких отдельных электрических проводников, предназначенных для управления протеканием тока через полупроводник. Сожмите эти компоненты ближе друг к другу, чем примерно 45 нанометров, или 45 миллиардных долей метра, и ток начнет течь от одного к другому. В этот момент транзисторы больше не работают. «Нам нужно было найти другое решение, — говорит Брент Андерсон, инженер IBM, руководивший проектом вертикального транзистора.

Это решение состояло в том, чтобы поставить транзисторы на один конец, как кирпич, балансирующий на одном конце. Это позволило исследователям сохранить длину отдельных устройств достаточно большой для идеального функционирования, в то же время соединяя их друг с другом на расстоянии более 45 нанометров.

На конференции International Electron Devices Meeting в Сан-Франциско в субботу Андерсон и его коллеги сообщили о создании кремниевой пластины размером с обеденную тарелку, заполненной вертикальными транзисторами. Хотя исследователи не указали все шаги, необходимые для его изготовления, коллега Андерсона Хемант Джаганнатан говорит, что они смогли сделать это в основном с помощью стандартных инструментов для производства полупроводников.Это очень важно, потому что создание предприятий по производству полупроводников стоит миллиарды долларов. «Мы не вносим радикальных изменений, если в этом нет необходимости», — говорит Джаганнатан.

По прогнозам Хатчесона, прогресс должен поддерживать закон Мура еще примерно десять лет. Использование большего количества транзисторов позволит будущим разработчикам чипов создавать процессоры, которые либо будут работать в два раза быстрее, либо снизят свое энергопотребление до 15 % по сравнению с сегодняшним стандартом. Экономия энергии может, например, сделать будущие мобильные телефоны способными работать до 1 недели без подзарядки.

Как работает логический вентиль в микросхеме? Ворота кажутся устройством, которое должно открываться и закрываться, однако микрочипы выгравированы на кремниевых пластинах, не имеющих движущихся частей. Итак, как ворота могут открываться и закрываться?

Ларри Виссел, инженер по ASIC-приложениям в IBM Microelectronics, отвечает:

«Те из нас, кто проектирует логические вентили для компьютеров, редко вспоминают о том, как термины, которые мы используем для описания технологий, вошли в обиход. Видение вентиля, качающегося туда-сюда, явно не представляет буквально структуры на кремниевом чипе.Но причину использования термина «ворота» для компьютерной логики можно понять, изучив основную функцию ворот: управлять потоком.

«На ферме ворота могут использоваться для контроля «потока» овец или коз между загонами. В этом случае ворота состоят из физического барьера, положение которого контролируется фермером. Фермер принимает решение о потоке овец или коз. животных, а затем перемещает физический барьер, чтобы обеспечить желаемый поток.

«В компьютере вентиль управляет потоком электрического тока в цепи.Затвор состоит из транзисторов; транзисторы выбираются разработчиком микросхемы из двух основных типов (транзисторы PMOS и NMOS), которые используются в повсеместно распространенной технологии CMOS (комплементарные металл-оксид-полупроводник). Ток, протекающий через затвор, создает напряжение в определенной точке цепи. Это напряжение представляет собой один «бит» информации. Напряжение может быть высоким (представляющим значение «1») или низким (представляющим значение «0»).

«Чтобы установить 1 в цепи, поток тока направляется в цепь (контролируется) путем «включения» PMOS-транзистора, подключенного между схемой и положительным напряжением питания.Напряжение питания обычно является стандартным значением, например, 3,3 или 5,0 вольт. В течение очень короткого интервала, необходимого для переключения логического элемента (порядка наносекунды или миллиардной доли секунды), ток будет течь через PMOS-транзистор от положительного источника питания к цепи.

«Поток тока, который заряжает узел схемы до нуля, отводится от схемы через транзистор другого типа (NMOS), подключенный между схемой и отрицательным напряжением питания или заземлением.Опять же, ток будет течь через транзистор NMOS в течение очень короткого промежутка времени, но для NMOS ток протекает между цепью и отрицательным источником питания. В любом случае протекание тока приводит к изменению напряжения в цепи, а напряжение в цепи представляет собой бит информации. Таким образом, когда ворота контролируют текущий поток, они фактически контролируют поток информации.

«Возвращаясь к аналогии между фермой и компьютерным чипом, очевидно, что поток другой (фермерские животные по сравнению с информацией) и что сам затвор другой (физический барьер по сравнению с транзистором в КМОП-технологии).Но самое главное отличие — это средства управления потоком. На ферме фермер сбрасывает местоположение ворот, принимая решение, а затем перемещая физический барьер. Для потока животных через сложный лабиринт ворот потребуется батрак у каждых ворот.

«Но в компьютерном чипе управляющим механизмом является напряжение на управляющем выводе транзистора. Это напряжение включает транзистор, изменяя его характеристики с разомкнутой цепи (положение «выключено») на такую, которая может проводить небольшой ток.Это управляющее напряжение, в свою очередь, уже имеется внутри микросхемы в виде напряжения в точке другой цепи. И, будучи напряжением в цепи, этот механизм управления представляет собой другой бит информации.

«Подавляющая вычислительная мощность логических вентилей связана с тем фактом, что на выходе любого конкретного вентиля есть напряжение, которое, в свою очередь, можно использовать для управления другим вентилем. сам.Эта способность позволяет создавать сложные системы, соединяя до миллиона вентилей в одном чипе. И все это без рук на ферме и без движущихся частей».

Так Нин из IBM T.J. Watson Research Center добавляет некоторые дополнительные детали:

«Логический вентиль в микрочипе состоит из определенного расположения транзисторов. В современных микрочипах транзисторы относятся к типу полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET), а в качестве полупроводника используется кремний.МОП-транзистор состоит из трех компонентов или областей: области истока, области стока и области канала с затвором над ней. Три области расположены горизонтально рядом друг с другом, с областью канала посередине.

«В устройстве с логическим затвором каждый из МОП-транзисторов работает как переключатель. Переключатель замкнут или МОП-транзистор включен, если электрический ток может легко течь от истока к стоку. выключается, если электрический ток не может течь от истока к стоку.

«Области истока и стока полевого МОП-транзистора изготовлены так, чтобы быть заполненными электронами, которые готовы проводить ток. С другой стороны, область канала спроектирована так, чтобы в нормальных условиях не было электронов, что блокирует движение тока. Следовательно , в нормальных условиях MOSFET «выключен» (или «открыт»), и ток не может течь от истока к стоку.

«Если к затвору (который находится в верхней части области канала) приложено положительное напряжение, то электроны, имеющие отрицательный заряд, будут притягиваться к затвору.Эти электроны собираются в области канала MOSFET. Чем больше напряжение на затворе, тем больше концентрация электронов в области канала. Значительная концентрация электронов в канале обеспечивает путь, по которому электроны могут легко перемещаться от истока к стоку. Когда это происходит, МОП-транзистор «включен» (или «закрыт»), и ток может свободно течь от истока к стоку.

Таким образом, полевой МОП-транзистор в микрочипе включается подачей напряжения на затвор, чтобы привлечь электроны в область канала, и выключается, подавая напряжение на затвор, чтобы оттолкнуть электроны от области канала.В кремнии есть движение зарядов, но в нем нет механических движущихся частей». Исследователи обнаружили, что материал образует спираль, подобную ДНК, когда превращается в цепочку атомов, как показано розовой линией на этом графике, инкапсулированных в нанотрубку. (Университет Пердью/Цзин-Кай Цинь и Пай-Ин Ляо) Скачать изображение

ЗАПАДНЫЙ ЛАФАЙЕТ, Индиана— Компьютерные чипы используют миллиарды крошечных переключателей, называемых транзисторами, для обработки информации. Чем больше транзисторов на чипе, тем быстрее компьютер.

Материал в форме одномерной спирали ДНК может еще больше расширить пределы размера транзистора. Материал происходит из редкоземельного элемента под названием теллур.

Исследователи обнаружили, что материал, заключенный в нанотрубку из нитрида бора, позволяет построить полевой транзистор диаметром два нанометра.Транзисторы на рынке сделаны из более объемного кремния и имеют размер от 10 до 20 нанометров.

Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics. Инженеры Университета Пердью выполнили работу в сотрудничестве с Мичиганским технологическим университетом, Вашингтонским университетом в Сент-Луисе и Техасским университетом в Далласе.

Эти серебристые извивающиеся линии представляют собой цепочки атомов теллура, которые ведут себя как ДНК. Исследователи не видели такого поведения ни в одном другом материале.(Техасский университет в Далласе/Цинсяо Ван и Мун Ким) Скачать изображение

За последние несколько лет в лабораторных условиях были созданы транзисторы размером всего несколько нанометров. Цель состоит в том, чтобы построить транзисторы размером с атом.

Лаборатория Пейде Йе в Purdue — одна из многих исследовательских групп, стремящихся использовать материалы, намного более тонкие, чем кремний, для создания транзисторов меньшего размера и с более высокими характеристиками.

«Этот теллур действительно уникален.Он создает функциональный транзистор, который потенциально может стать самым маленьким в мире», — сказал Йе, Ричард Дж. из Purdue и профессор электротехники и вычислительной техники Мэри Джо Шварц.

В 2018 году та же исследовательская группа из Purdue обнаружила теллурен, двумерный материал, полученный из теллура. Они обнаружили, что транзисторы, изготовленные из этого материала, могут проводить значительно больший электрический ток, что делает их более эффективными.

Это открытие заставило их задуматься о том, что еще может сделать теллур для транзисторов.Способность элемента принимать форму ультратонкого материала в одном измерении может помочь еще больше уменьшить размеры транзисторов.

Один из способов уменьшить размеры полевых транзисторов, используемых в большинстве электронных устройств, — создать затворы, окружающие более тонкие нанопроволоки. Эти нанопроволоки защищены внутри нанотрубок.

Цзин-Кай Цинь и Пай-Ин Ляо, аспиранты Университета Пердью по электротехнике и вычислительной технике, руководили работой по выяснению того, как сделать теллур размером с одну атомную цепочку, а затем построить транзисторы с этими атомными цепочками или ультратонкими нанопроволоками.

Они начали выращивать одномерные цепочки атомов теллура. Лаборатория Вэньчжуо Ву в Purdue синтезировала голые теллуровые нанопровода для сравнения. Команда под руководством Ли Янга из Вашингтонского университета смоделировала поведение теллура.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что атомы в этих одномерных цепочках извиваются. Эти покачивания были видны с помощью изображений ПЭМ, выполненных Мун Ким из Техасского университета в Далласе и Хай-Ян Ван из Пердью.

«Атомы кремния выглядят прямыми, но эти атомы теллура похожи на змею.Это очень оригинальная структура», — сказал Е.

Вихглы представляли собой атомы, прочно связанные друг с другом парами, образуя спиральные цепи, подобные ДНК, а затем складывающиеся друг с другом под действием слабых сил, называемых ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, с образованием кристалла теллура.

Эти ван-дер-ваальсовы взаимодействия сделают теллур более эффективным материалом для одиночных атомных цепочек или одномерных нанопроволок по сравнению с другими, потому что его легче вписать в нанотрубку, сказал Йе.

Поскольку отверстие нанотрубки не может быть меньше размера атома, теллуровые спирали атомов могут создавать меньшие нанопроволоки и, следовательно, меньшие транзисторы.

Исследователи построили транзистор с нанопроволокой теллура, инкапсулированной в нанотрубку из нитрида бора, предоставленную лабораторией профессора физики Йока Кхин Япа в Мичиганском технологическом университете. Высококачественная нанотрубка из нитрида бора эффективно изолирует теллур, что позволяет создать транзистор.

Лаборатория Xianfan Xu в Purdue охарактеризовала свойства материала с помощью рамановской спектроскопии, чтобы оценить его характеристики.

«Это исследование раскрывает больше информации о многообещающем материале, который может обеспечить более быстрые вычисления с очень низким энергопотреблением с использованием этих крошечных транзисторов», — сказал Джо Цю, руководитель программы U.Исследовательское бюро армии С., которое финансировало эту работу. «Эта технология найдет важное применение в армии».

Работа также частично финансировалась Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Исследователи проводили эксперименты в нанотехнологическом центре Birck в Purdue Discovery Park.

О парке открытий

Discovery Park — это место, где исследователи Purdue выходят за рамки традиционных границ, сотрудничая в различных дисциплинах с политиками и бизнес-лидерами, чтобы создавать решения для лучшего мира.Крупные проблемы глобального здравоохранения, глобальных конфликтов и безопасности, а также те, которые связаны с устойчивой энергетикой, мировым снабжением продовольствием, водой и окружающей средой, находятся в центре внимания исследователей Discovery Park. Преобразование открытий в воздействие интегрировано в структуру Discovery Park через программы предпринимательства и партнерские отношения.

Автор: Кайла Уайлс, 765-494-2432, [email protected]

Источник: Peide Ye, 765-494-7611, [email protected]образование

Связанный выпуск:

Редкий элемент для создания лучшего материала для высокоскоростной электроники

Примечание для журналистов : Чтобы получить копию статьи, пожалуйста, свяжитесь с Кайлой Уайлс, Служба новостей Purdue, по адресу [email protected] или 765-494-2432. Изображения ДНК-подобного материала (цепочки атомов теллура) доступны в папке Google Диска по адресу https://bit.ly/38d59gc

.

РЕЗЮМЕ

Рамановский отклик и транспортные свойства цепочек атомов теллура, инкапсулированных в нанотрубки

jing-kai qin 1 , Pai-ying liao 1 , Mengwei Si 1 , Shiyuan Gao 3 , Gang qiu 1 , JIE Jian 1 , Цинсяо Ван 4 , Si- Ци Чжан 2 , Шоюань Хуан 3 , Адам Чарнас 1 , Исю Ван 1 , Мун Дж.Kim 4 , Wenzhuo Wu 1 , Xianfan XU 1 , Hai-Yan Wang 1 , Li Yang 3 , Йoke Khin Yap 2 , Peide D. ye 1

1 Университет Пердью, Западный Лафайет, Индиана, США

2 Мичиганский технологический университет, Хоутон, Мичиган, США

3 Вашингтонский университет в Сент-Луисе, Сент-Луис, Миссури, США

4 Техасский университет в Далласе, Ричардсон, Техас, США

DOI: 10.1038/с41928-020-0365-4

Ожидается, что в качестве уникального элементарного одномерного (1D) ван-дер-ваальсова (vdW) материала сверхтонкие нанопроволоки теллура (Te NW) на пределе нескольких цепочек будут демонстрировать интригующие физические свойства, которые заметно отличаются от свойств объемной формы. . В этой работе мы успешно изолируем малоцепочечные и даже одноцепочечные 1D vdW Te ННК с помощью инкапсуляции углеродных нанотрубок (CNT) или нанотрубок из нитрида бора (BNNT). Количество атомных цепочек Te контролировалось внутренним диаметром (ID) нанотрубок.Отклик комбинационного рассеяния предполагает, что взаимодействие между одноатомной цепью Te с УНТ слабое, а межцепочечное взаимодействие между Te становится сильнее по мере увеличения числа цепей. За счет инкапсуляции BNNT 1D vdW Te NW обеспечивает большую плотность тока даже с несколькими цепочками атомов. По сравнению с SiO 2 , поддерживаемыми оголенными ННК Te, мощность ННК Te, выращенных внутри BNNT, может быть значительно увеличена при высокой плотности тока 1,5 × 10 8 A см -2 , что превышает плотность большинства полупроводниковых материалов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *