Dypdykk – Transistor
Så hvordan fungerer en transistor??
Til å begynne med så skiller vi mellom 3 type materialer. Isolatorer, halvledere og ledere. Det som skiller dem er hvor godt de legger til rette for flyten av frie elektroner. En isolator leder strøm dårlig og en leder leder strøm godt. Transistorer er laget av halvledermaterialet silisium (Si) eller germanium (Ge). Germanium ble brukt tidlig i transistoren sin tid, men i dag har silisium tatt over store deler av markedet. Halvledere er verken flinke til å lede elektroner eller til å holde på elektroner. Dette er en viktig egenskap for vårt formål. Fordi halvledere er på et vippepunkt så har man mulighet til å manipulere de til å enten ha et overskudd eller underskudd av elektroner. Dette oppnår man ved å forurense stoffet, men for å forstå hvordan Silisium brukes i en transistor så trenger vi å forstå oppbygging av atomet og spesielt Si-atomet.
Når man ser på egenskapene til et atom så ser man på fordelingen av elektroner i det ytre skallet. Det kalles valensskallet. Grunnen til det er fordi det er disse elektronene som er tilgjengelig for å reagere med andre stoffer. Du har sikkert sett et bildet av et atom der det er illustrert med en prikk og noen sirkler rundt. Valensskallet referer da til den ytterste sirkelen. Vi kaller disse elektronene valenselektroner. Si har 2 elektroner på første skallet, 8 elektroner på andre skallet og 4 på tredje skallet. Det tredje skallet er valensskallet til Si-atomet. De indre elektronene kalles kjerneelektroner. Blås i de. Så har vi enda et skall kalt konduksjonsbåndet. Dette er alle skall som er ledige eller delvis fylt med elektroner og som går kontinuerlig gjennom materialet, de er frie kan vi si. (Den siste setningen gir meg hodepine, men bare vit at de kan gjøre hva de vil der). Mellom valensskallet og konduksjonenbåndet er det et bånd gap, et tomrom som dette: , og dette gapet skiller faste elektroner fra frie elektroner som løpet fritt. Og det er akkurat dette som skiller en leder fra en isolator. Båndgapet er større jo dårligere materialet leder strøm. Det som får et elektron til å bli fri er høyere temperatur og jo større gapet er jo mer temperatur må til.
For silisium og germanium er det et båndgap, men ikke stort, og valensbåndet er fylt med elektroner. Dette gjør de til halvledere.
Nå kommer trikset. Det som gjør transistoren rå og hvorfor vi kan bruke de som brytere for å skape binære koder. Gjennom en prosess så forurenser man, eller doper, silisiumet. Rett nedenfor ser du Bor- og Fosfor-atomet. Dette er fine doping atomer.
Som du ser på atomene så har bor 3 valenselektroner og fosfor 5. Ved å dope silisium med fosfor (gjennom en prosess om er helt vill) så vil fosforet ha et elektron for mye som ikke har noen plass å være når de går sammen, det er fritt. Dette materiale kalles N-type. Det er negativt og vil kunne lede strøm på grunn av det frie elektronet. Doper man silisiumet med bor, som har 3 elektroner i valensskallet, så vil det være en ledig plass til et elektron. Dette materialet kalles P-type. Det vil skape en fri plass på valensskallet hvor andre elektroner kan sette seg og er positivt. Ja, jeg er enig.. det er hjernegrøt at et elektron for mye er «negativt» og et for lite er «positivt». Samma det.
Ved å manipulere silisium på atomært nivå så vil man kunne bruke det til andre ting som det passer oss. Det er ganske utrolig heftig. Dette er helt ned i bunnen av hvordan datamaskiner, mobiler og andre teknologiske ting fungerer. Nå som vi har N-type og P-type så kan vi sette disse sammen til en NPN-transistor sånn:
Når man setter disse sammen så vil frie elektroner fra N gå over til ledige plasser hos P, og fra P vil ledige plasser gå over til frie elektroner hos N. Det vil oppstå en sone midt i mellom N og P hvor det verken er frie elektroner eller ledige plasser siden de har funnet hverandre (det grå feltet). Dette skaper et skille for resten av de frie elektronene og de frie plassene. Henger dere med??
De tre delene kalles kollektor, base og emitter som på bildet. Disse har alle tilkoblingspunkter for ledninger. Ved å tilsette en positiv ladning på basen, siden basen, P, har frie plasser til elektroner, så vil dette åpne sonen mellom N og P. Det vil skape en bru for alle frie elektroner som kan gjøre hva faen de vil. Da vil alle de frie elektronene fra N flyte rundt som det passer dem og NPN-transistoren leder dermed strøm gjennom kretsen. Da kan man velge om man vil tilsette ladningen eller ikke. Av eller på. Det som skaper varmen er når elektroner flyter rundt ettersom transistorene slår seg av og på. Disse elektronene strømmer gjennom kretsen og har litt motstand når de gjør det. Dette skaper varmen.
Okei..la oss zoome utover igjen.
Så datamaskiner, servere, mobiler og alt slik genererer varme som er biprodukt av å sende elektroner rundt for å skape binære koder.
Når alle milliardene av transistorer slår seg av og på så beveger det seg elektrisitet rundt. Disse slår seg av og på ettersom hva brukeren vil gjøre. Jo kraftigere forespørsel, for eksempel å kjøre store og kompliserte datasett i Excel, så må flere transistorer slå seg av og på. Derfor kreves det flere og flere transistorer for å gjennomføre større og mer krevende oppgaver. De siste 40 årene har teknologien blitt mindre og bedre. Grunnen til det er forskning innenfor transistorer og hvordan få flere transistorer på samme areal. Mange har sikkert hørt om Moores Lov. Loven sier at antall transistorer på et areal dobles hver 24. måned. Dette har stemt helt siden 1965 da Gordon Moore kom med prediksjonen. Flere mener at dette ikke vil fortsette. Ken Brill, en legende innen datasenter industrien visstnok, sa i 2007 at på grunn av økende varme fra at det blir flere og flere transistorer på et areal så vil det ikke bli økonomisk gjennomførbart å kjøle ned komponentene siden det ville kreve så mye energi. En annen ting vedrørende slutten av Moores lov er at transistorene begynner å bli så små at de oppfører seg annerledes enn tidligere og vi klarer ikke forstå så små ting enda. Da snakker vi om kvantefysikk og ubegripelige små ting. 1000 ganger mindre enn et menneskehår. Les mer her om det her hvis du er interessert, det blir for intenst for meg.