半導体エレクトロニクスは世界を大きく変えました。 長い間SF作家の作品のページを残さなかった多くのことが可能になりました。 半導体デバイスがどのように機能し、独自のものであるかを知るには、内部で行われるさまざまな物理プロセスを理解することが必要です。

この記事では、主要な半導体デバイスの動作原理について説明します。 機能の説明は物理学の観点から述べられています。 この記事には、幅広い読者に資料を理解するために必要な用語の紹介が含まれています。

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最近、さまざまな半導体デバイスとそのパラメーターに関する多数の主題記事がHabréに登場しました。 さまざまなデバイスの現代的な豊富さは半導体エレクトロニクスに起因しているため、この材料がエレクトロニクスの分野の初心者にとって特に興味深いことは驚くことではありません。 この資料は、このブログで公開されている優れた記事AveNat 、 Dooez 、 IIIa66uMEM6ePに追加されるものと見なされる必要があります。 この記事に記載されている説明は、問題の物理的な側面について詳しく説明することを目的としていますが、いくつかの技術的特徴も示しています。 とりわけ、この資料はすでに出版された記事を部分的にエコーします。これは、同じ唇に関する異なる情報が真実に近づくため、資料を研究する人にとってもプラスです。 従来、この資料は幅広い読者を対象としているため、プレゼンテーションは非常に詳細です。 各セクションの最後にある要約段落の内容をすばやく読むことができます。 興味のある方のための記事の最後に、追加の知識源のリストが用意されています。

現代の電化製品は非常に複雑なデバイスです。 それらの機能の物理的な詳細は、必ずしも簡単に理解できるとは限りません。 特定のデバイスの動作原理を明確に理解するには、それらの基礎となる基本的な物理現象を知る必要があります。 したがって、1つの言語で話し続けるために、電界、電流、拡散などの概念について簡単に説明します。

ステップ1.電界

物理学の観点から見ると、電場は荷電体の「隣に」存在する問題です。 ここでは、問題、ボディ、チャージなどの用語については説明しません。 これらは物理学と哲学の危機にonしている議論のトピックです。 これはすべて電気の現象に関連しているため、電荷は電荷であると理解してください。 より明確にするために、次の図を見ることができます。

写真には、ボールという2つのオブジェクトが含まれています。 各ボールには特別な特徴があります-チャージです。 この電荷は正または負のいずれかです。 これらの2つのボールは、「周囲の」電界を介して相互作用します。 これは、電界の本質が現れる場所です。それは、帯電した物体間の特定の電気力の存在によるものです。 これらの力は、ボールが同じ符号の電荷を持っている場合、異なる場合は互いに離れ、逆の場合も同様です-近づきます。 より詳細には、この問題はクーロンの法則と静電界に関する物理的な教科書で研究できます。

便宜上、電界は特別な値、つまり張力によって特徴付けられます。 「より強い」フィールドと「より弱い」フィールドを比較するために必要です。 この場合、どの式が計算され、どの単位で測定されるかは重要ではありません。 主なことは、電界が大きいほど、帯電体に作用する「強い」ことです。 また、フィールドのこの特性には方向があります。 この場合、ベクトルには通常何らかの方向性があるため、張力はベクトル量であると言われています。 フィールドが荷電体を「押す」方向を決定するために知る必要がある方向。 図と1つの式を使用して、状況を明確にすることができます。

写真は、電界に置かれた1つのボールを示しています。 この場合、どの帯電体に関係なくフィールドが形成されました。 フィールドは、特定の方向を持つ張力によって特徴付けられます。 ボールには何らかのサインがあります。 図に示されている式は、ボールの電荷が正の場合、フィールドが前方に「押し」（フィールドで言う）、負の場合、フィールドに反することを示しています。

実際の荷電体の最も単純な例は電子です。 これは、純粋な量子オブジェクトであり、「魔法」の法則に従って「生きている」ものであり、近似的には、上記のすべての引数が当てはまるボールと見なすことができます。 電子の電荷は負であるため、電界に対して「飛ぶ」。

他のすべてに加えて、電界の力の特性を表す強度に加えて、別の特性-電位が導入されます。 ポテンシャルはエネルギー特性です。 物理学におけるエネルギーは一般に興味深いものであり、その理解は哲学的および物理的議論のカテゴリーにも属します。 その特性により、数学的な計算に非常に便利です。 ここではこの問題については触れません。

ポテンシャルは、フィールドがある各ポイントのエネルギー特性を表し、一般的な場合、各ポイントで異なります。 特に興味深いのは、潜在的な違いです。 電位差と電界強度の間には関係があります。 この概念の本質は、次の図から理解できます。 電位差は通常、電圧と呼ばれます（張力と混同しないでください）。 多少の接続はありますが、これは電圧計を使用して電気回路で測定される電圧ではありません。 繰り返しますが、すべての微妙な点は物理学の教科書から抽出できます。

物理学では、明確な方向を持つ荷電体の動きを電流と呼びます。 この場合、電流による。 帯電体の動きは、それらに対する電界の作用だけでなく発生する可能性があることは非常に重要です。 専用の方向があるという事実により、電流には何らかの方向もあります。 歴史的に、負に帯電した粒子の動きについては、電流は反対方向に流れると考えられています。 これについては、図で詳しく説明します。

実際には、彼らは通常値を使用します-単に電流と呼ばれ、 アンペアで測定される電流強度です。 この値は、特定の領域（材料の断面積）を単位時間あたり「飛ぶ」荷電体の数を示します。 電流（電流強度）と電圧の関係は、オームの法則（写真の式）によって決まります。 これらの2つの量は、抵抗と呼ばれる係数によって接続されます。 この係数は、材料と、この材料の電流に伴うさまざまな物理現象を特徴付けます。 より複雑なケースもありますが、通常、抵抗はある数値にすぎません。 これは教科書で読むことができます。 時々、便宜上、抵抗の代わりに異なる値-導電率を使用します。 それらの違いは名前から明らかです：材料の抵抗が大きいほど、導電率は悪くなります（より少なくなります）。

電気現象の中で、別の非常に興味深い特徴は、異なる電荷の蓄積がある場合、それらの間に電界（電圧）が発生することです。これは、そのようなシステムが電界のエネルギーを蓄積することを示します これらのシステムは、電気容量というパラメーターによって数値的に特徴付けられます。 一般的な電気機器-コンデンサ-は、この原理で動作します。 ニュアンスには触れません。

また、電気現象は電磁気の発現の特殊なケースであることを理解する必要があります。これは、記事の最後にある文献でさらに読むことができます。

まとめ

エレクトロニクスは、電気的性質のさまざまな物理現象に基づいています。 最も重要な概念は、荷電粒子の電場とその電流です。 電界は、強度と電位分布によって特徴付けられます。 電位差の存在は、電場の存在を示し、逆もまた同様です。 電界の側面からの力を含むあらゆる力の影響下で、電流（電荷の秩序だった動き）が発生します。 異なる電荷の蓄積は電界のエネルギーを蓄積し、電気容量（コンデンサ）によって特徴付けられます。

ステップ2.拡散

エネルギーには一つの特徴があり、どんな状況でも可能な限り最小限になるように常に努力しています。 これが自然の法則です。 ある意味では、一般的に、私たちの周りで起こるすべては、この法律によって正確に説明することができます。 それは時々最小エネルギーの原理と呼ばれます。 だから、ジャンプの後、私たちはいつも倒れ、コーヒーはいつも冷え、風はどこかで吹いている、などなど。 同じ原理が拡散現象を説明します。 視覚的に表現するために、砂糖を一杯の水の中に入れて攪拌しない場合に何が起こるかを見ることができます。

溶解後、砂糖の粒子は1か所、たとえばガラスの底になります。 しばらくすると、グラスの水がすべて甘い状態になったことに気付くことができます。 砂糖の粒子は、ガラス全体に完全に配置されています。 これを下図に模式的に示します。

物質の粒子のこの​​挙動は拡散と呼ばれます。 したがって、すべてのオブジェクトは分子と原子で構成されているため、他の領域よりも多くの粒子（分子または原子）が存在する領域が存在するため、より高い濃度の領域からより低い領域への移動が生じると言えます。 言い換えれば、自然はエネルギーを最小化するためにすべてを平準化しようとし、平衡状態（時には平衡状態で言う）を導きます。

まとめ

自然の法則のおかげで、物質の粒子は、それらの多くが存在する場合、常にそれらが少ない場所に努力します。 この現象は拡散と呼ばれます。

ステップ3.固体

さまざまな素材をどのように配置するかというアイデアは非常に困難です。 物理学には、物質に関連する特定の問題を研究するさまざまな分野があります。 半導体エレクトロニクスを理解するには、固体が最も重要です。 この質問のさまざまな微妙さは、固体物理学または材料科学の教科書で研究できます。 主な（表面的な）考え方は、すべての固体を格子の形で表現できるということです。 これらは、原子で構成される特定の構造です。 以下の図は、いくつかのタイプの格子モデルを示しています。 図の黒い点は原子です。

さまざまな材料の特性は、格子の種類、原子の種類、およびその他の多くの要因によって決まります。 物質の構造に関する議論は、最終的には「魔法」現象を伴う量子物理学の問題につながります。

固体のゾーン理論は、材料の「内部」を記述するのに非常に適しています。 この理論は、エネルギーの概念と密接に関連しています。 「エネルギー」という用語の特異性についてはすでに述べました。 ここおよび将来、この概念を深めることはありません。 下の図を見ると、通常の原子モデルからエネルギーがどのような役割を果たしているのかがわかります。

写真は、原子の大まかなモデルを層状構造の形で示しています。 中心には原子の核があり、電子雲に囲まれています。 電子雲-これらは実際の電子です。 この電子の表現は、量子物理学の観点からはボールの形の表現よりも真実に似ています。 電子層は電子レベルとも呼ばれます。 実際には、各レベルで、電子は何らかのエネルギーを持っています。 コアから「遠く」-より多くのエネルギー。 また、そのような構造をエネルギー図の形で描くことも便利です。これも上の図に示されています。 このような図は、物理学の教科書でよく見られます。 エネルギーは文字Eで示されます。最高のエネルギーレベルは原子価と呼ばれます。

原子が互いに「接続」し、格子を形成するとき、つまり それらは特定の物体（物質）を形成し、そのエネルギーレベルは原子が互いに作用するという事実により変化します。 そして、エネルギーレベルの中で、特定の順序が観察されます。エネルギーレベルは、いわゆるゾーンに分割されます。 したがって、名前-ゾーン理論。 下の図は、ゾーン分散の可能なケースを示しています。 これらは素材全体の特性であることに注意してください。

低いバンドは、価電子バンドと呼ばれます。 そこにある電子は原子に属します。 上部のゾーンにある電子は「共通」です。 これらの電子は電界に非常によく反応し、物質内の電流の形成に直接関与しています。 その電気特性のため。 このゾーンは伝導帯と呼ばれます。 それらの間には禁止ゾーンがあります。 また、この図は、材料の特性と1つまたは別のクラスの物質に属するそれらの特性がバンドギャップにどのように依存するかを示しています。 ゾーンは金属内で重複しているため、それらの電子は容易に「共通」になり、したがって、伝導帯にそれらの多くがあり、良好な顕著な電流が流れることがわかります。 半導体では、ゾーンはある程度離れていますが、重要ではありません。 これは、外部から十分なエネルギーを受け取った場合、電子がこのゾーンを「ジャンプ」できることを意味します。 誘電体では、ゾーンが広くなるため、電子が伝導帯に「移動」することは難しく、その結果、そこに流れる電流は非常に小さくなります。 そして一般的に、彼らは誘電体は電流を通さないと言います。

同様に重要な点がいくつかありますが、ここではそれらの検討を省略し、物理的性質の本質を最初に理解するには、これらのデータで十分です。

まとめ

バンド理論は、固体の特性を記述するために使用されます。 理論の本質は、物質の内部に電流の形成に関与できる電子があり、残りは原子に属するということです。 エネルギー（光、熱、電場）が材料に供給されると、原子から電子を「引き裂き」、電流を伝導することができます。 簡単ですが、難しい材料があります。 「ゴールデンミーン」は、材料のクラスである半導体によって占められています。 実際、物質のすべての特性は量子物理学によって記述されています。

ステップ4.半導体

なぜ半導体材料は非常に特殊なため、技術に革命をもたらしましたか？ 秘密全体は、かなり狭い禁止区域に正確にあります。 電子にエネルギーを与えることにより、材料の導電率を制御できます。 かもしれない

電界、光（電磁波）、温度など これは、半導体デバイスの非常に広範な使用を説明しています。

より詳細に検討するには、理論で使用されるいくつかの用語を紹介する必要があります。 まず、「穴」。 ここにあります。 電子が価電子帯から「飛ぶ」と、自由空間ができます。 別の電子がこの場所に「飛ぶ」ことができます。 なぜなら 電子は負の電荷を持ち、原子から「飛び去る」と、原子の全電荷のこの部分を運び去り、原子はもう少し正になります。 もちろん、推論は粗雑ですが、これは、正電荷を「運ぶ」電子の代わりにホールが形成されたと想像できることを示唆しています。 これは非常に良い考えであり、半導体の理論ではこれらの「穴」は粒子と呼ばれることさえあります。 実際には、これは粒子ではなく、単なるトリックです。 このトリックは理論上便利なので、これについて詳しくは説明しませんが、この用語を使用します。 また、半導体の理論における「正孔」と電子は、それぞれ正と負のp粒子とn粒子と呼ばれます。

現在、新しい用語では、電子を「ジャンプ」するのに十分なエネルギーが半導体に供給されると、pとnのペアが形成されると言えます。 0ケルビンを超える温度（これは人間単位で-273摂氏）で、温度のために半導体に供給されるエネルギーの量が常にあります。 したがって、半導体の一部を取り出すと、pとnの粒子のペアが絶えず生成され、再結合（再結合）されると完全に確信できます。 このプロセスは進行中であり、そのような材料では、すでに一定数の電子と正孔がすでに生成されていますが、再結合する時間はまだありません。 それらはペアで形成されるため、その数は同じです。 しかし、これでは十分ではありません。 半導体を実用的な目的に使用するために、既知のパラメーターを持つ特別な材料を作成します。 この場合、追加の物質が純粋な半導体に導入され、電子または「正孔」の数が増加します。 このような半導体は、不純物と呼ばれます（何かが混入しているため）。 いくつかはn型半導体と呼ばれ、他はp型です。 物理的な微妙な点については触れません。これは追加の文献で読むことができます。

半導体では、秩序ある動きが可能な電荷を持つ2種類の粒子が存在します。次に、半導体には電子と正孔の2種類の電流があります。 さらに、これらの粒子は、電界または拡散のために移動する可能性があります。 したがって、電流は依然として拡散またはドリフトのいずれかです。

現時点で最も人気のある半導体材料は、 シリコン 、 ゲルマニウム 、およびヒ化ガリウム化合物です。

半導体アプリケーションの複雑で最も重要な設計は、p型とn型の半導体の接触、いわゆるpn接合です。

まとめ

半導体材料のバンドギャップは比較的狭いため、電気用途で柔軟に使用できます。 理論の用語では、「穴」の概念が使用されます。これは粒子として解釈され、電流を生成することができます。 「ホール」は電子の自由空間であり、正電荷を「持っています」。 純粋な半導体では、同数の電子と「ホール」。 技術的な用途では、「穴」（p型）または電子（n型）のいずれかが多数ある特殊な材料が作成されます。

ステップ5. PN移行

下の図に示すように2つの半導体材料を取り、それらを接続すると、pn接合を得ることができます。 実際には、2つの材料を適用するだけでは一般的な結晶格子を取得することは不可能であるため、彼らはこれを行いませんが、そのようなモデルは一般的なアイデアには十分です。

純粋な半導体に不純物が追加されたため、材料の電荷濃度が増加し始めました。1つのケースでは「ホール」、もう1つでは電子です。

2つの材料が単一の物質を形成して「接続」されるとすぐに、拡散現象が発生し、ボリューム全体で粒子の濃度が均一になります。 ここで最も興味深いことは、電子と「ホール」が再結合 （破壊）する境界で起こります。 最終的に、薄い層が2つの材料の境界近くに表示されます。「穴」と電子はありません。 全体の料金が補償されました。 ただし、ここで材料に追加された不純物は寄与します。 これらの不純物はイオン（原子）であり、何らかの電荷も持っています。 このレイヤーが表示されます。

荷電イオンがあるという事実は、電子と「正孔」の再結合したペアの層のさらなる成長を防ぎます。 実際には、2つの反対に帯電した領域の間に電界が形成され、その強度は正から負の領域に向けられます。 その結果、材料内で平衡が発生します。特定の層の厚さでは、電界は非常に強くなり、荷電粒子（pおよびn）を送り返します。 電界と拡散の対立により、pn接合が形成されます。 下の図では、より明確に示されています。

図では、正方形はイオンを示し、粒子の円（pおよびn）を示します。 導体がn型の場合、これは電子のみが存在することを意味するものではなく、そこにも正孔が存在することを意味しますが、それらはごくわずかです。 これは、リーフレットに描かれた図で見ることができます。 与えられたフィールドに少ない粒子の場合、フィールドはそれらを加速する、つまり スキップ。 これは、いわゆる少数電荷キャリアの電流です。 pn接合に何らかの方法で触れない場合、これらの電流は等しくなり、合計電流はゼロになります。

pn接合の最も興味深い特性は、電気などのエネルギーの影響を受ける場合に現れます。

• 状況1 pn接合がある部分の材料の端部では、ワイヤが接続されて電位差が発生します。その結果、電圧Eのあるフィールドが外部エネルギー源によって作成されると言えます。これは通常、外部フィールドと呼ばれます。 下の図に設計を示します。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  接触領域には、主な電荷キャリアはありません。 それらはすべて再結合しました。 したがって、これは高抵抗のセクションとして解釈できます。 少なくとも半導体ボリュームの残りの部分よりも大きい。 また、そこにはフィールドがあるので、潜在的な違いがあると言えます。これは通常、コンタクトと呼ばれます。 また、この電位差は潜在的な障壁を形成すると言われています。 この問題については詳しく説明しません。 , , , , pn- . . , , , .
  
  
  
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無線工学では、デバイスとそのパラメータを記述するためのさまざまなアプローチがあります。 それらの1つは、複数のピンを持つデバイスのブラックボックス表現です。 各ピンは、デバイスの物理ピンに対応しています。 このアプローチにより、物理学から抽象化し、デバイスのプロパティのみを直接使用することもできます。 スイッチング回路は、その結論の1つが制御回路と被制御回路に共通している場合、トランジスタに一般的です。 その結果、トランジスタには、出力が4つあることがわかりました。 この場合、ブラックボックスは4端子と呼ばれます。 デバイスの入力と出力の間には明らかに接続があり、この接続はパラメーターと呼ばれる異なる係数で記述できます。 トランジスタの場合、最も重要なのはhパラメータ（Hパラメータ）です。 それらの値は下図に示されています。

その中でも、最も興味深いのはh ₂₁パラメータであり、これはトランジスタのドキュメントに記載されていることが多いため、以下で説明します。

トランジスタを使用する際の問題は、温度、信号周波数、さまざまなノイズなどに対するさまざまな依存関係も含まれるため、他の半導体デバイスと同様に非常に複雑です。 これについては触れません。以下では、信号増幅器とキーとしての、おそらく最も一般的なトランジスタの2つのアプリケーションを少しだけ見ていきます。

まとめ

半導体デバイスの中で最も興味深いデバイスはトランジスタです。 トランジスタを使用すると、さまざまなデジタルおよびアナログデバイスを実装できます。 バイポーラ（電流）トランジスタとフィールド（フィールド）トランジスタの2つのクラスがあります。

ステップ9.トランジスタ増幅器

デバイスの増幅特性について話すとき、通常、下図のようにグラフを描きます。 グラフは、入力に応じて出力信号がどのように変化するかを示しています。

図を見ると、回路がわかります。これは、トランジスタ（この場合はバイポーラ）をオンにする最も単純な回路で、信号を増幅できます。 ここで最も難しいのは、入力信号を「移動」させて、（入力特性に応じて）増幅を開始し、歪みが発生しないようにすることです。 このためには、信号の「中心」が、曲線が両側で等しく変化する点にあることが必要です。 これは、歪みがないようにするために必要です。 この点は作業と呼ばれます。 このため、回路には特別な抵抗があり、入力信号に一定のバイアスを与えます。 グラフによると、信号が増幅されたことを追跡できます。 増幅は電流で発生し、その結果、電圧でも発生することがわかります。 したがって、トランジスタの増幅特性を特徴付けるために、出力電流、電圧、または電力が入力よりも大きい回数を示す特別な係数が導入されています。 上記のパラメータh ₂₁は、現在のゲインにほぼ等しくなります。 アンプとアンプ段に関連する問題は複雑であり、一般に電子機器の別のブランチであるため、これは停止する必要があります。 したがって、それについてすべてまたはより良い、または何も、またはほとんど何も話さないために、ここでは基本のみを考慮します。 半導体アンプの完成度の頂点は、 オペアンプと呼ばれる特別なステージです。これは現在、最も洗練されたアーキテクチャを備えた半導体アナログデバイス全体を表しています。

まとめ

アナログ電子機器では、トランジスタの最も一般的なアプリケーションは増幅段です。 増幅は、トランジスタの機能によるものです。 信号を歪みなく増幅するには、バイアス電圧を正しく選択する必要があります。

ステップ10.トランジスタキー

トランジスタの使用の開発におけるもう1つの方向は、非常に一般的になり、すべての現代のデジタルエレクトロニクスの基礎を築きましたが、キーとしてのトランジスタの使用です。 キーは、2つの状態間の通常の切り替えです。 図は、このような従来のスイッチの例を示しています。

トランジスタからキーを作成するためには、切り替えるトランジスタの2つの状態を選択する必要もあります。 通常、これは、トランジスタが大電流を流し、それが小さい場合、トランジスタが「開いている」または「閉じている」と言います。 デジタルアプリケーションの観点からは、これは「1」と「0」に対応します。 デジタルキーの設計にも多くの落とし穴があり、回路は図に示したものよりも何倍も複雑ですが、基本は同じです。 実際には、2つの状態の識別性だけでなく、キーにとってスイッチング速度が重要です。 したがって、トランジスタの特性を最適に使用するには、計算とアップグレードが必要です。

主なアイデアは、1つの一定の抵抗と1つの変数（トランジスタ）を備えた電気回路があるということです。 トランジスタの抵抗が一定の抵抗よりもはるかに大きい場合、すべての電圧がトランジスタで低下し、残りは抵抗で低下します。 ただし、トランジスタの定抵抗がはるかに小さい場合、状況は逆になります。 合計すると、トランジスター両端の電圧と定抵抗は常に電源電圧に等しくなります。 これは、 キルヒホッフ法2号とも呼ばれる法律です。 このことから、信号（電流、電圧）がトランジスタ入力に印加されると開き、すべてが一定の抵抗で低下し、信号を除去すると「閉じ」、すべてがトランジスタに落ちるという考え方が明らかになります。 トランジスタの電圧を測定する場合、入力と出力の関係は論理反転操作に似ています。入力が「1」のとき、出力は「0」などです。

現在、スキームは非常に人気があり、図の右上隅に示されているものに似ています。 これは、いわゆる相補ペアです。 ここではすべてが簡単です。異なるタイプのチャネルを持つトランジスタに同じ信号を供給することにより、トランジスタの1つだけが常に開かれます。 これにより、回路のエネルギー消費が削減されます。

デジタルトランジスタキーを使用すると、最も複雑な計算を既に実行できる複雑な論理回路を作成できます。

まとめ

デジタルエレクトロニクスでは、最も一般的なトランジスタアプリケーションがキーです。 トランジスタは2つの状態を切り替えます。これにより、「キー」効果が現れます。 実際のキーは、パラメーターを改善するための要素が追加された複雑なカスケードです。 論理素子はトランジスタスイッチ上に形成されます。

ステップ11.論理要素

前のセクションで説明したトランジスタスイッチは、主にデジタルエレクトロニクスで使用されていました。 彼らはそれを形成したとさえ言えます。 1つのキーで、論理関数を計算するために必要なすべての構造を形成できます。 数学では、このためにすべての可能な機能を実現する必要はなく、他のすべてをすでに表現できる基本的な機能（基本）をいくつか実行するだけで十分であることが証明されています。 たとえば、 反転操作と接続詞 （2I-He）の場合もあれば、 排他的または反転の場合もあります 。 単純なキー自体が反転を実装します。 また、以下の図に示す設計により、2I-He操作（このようなカスケードをバルブと呼びます）を実装できます。

写真は2つの回路を示しています。1つはバイポーラトランジスタ用、もう1つは電界効果用で、電界効果トランジスタは相補ペアを使用しています。 これらのタイプの化合物には、非常に多くの異なる修正があります。 しかし、これらは最も基本的なものです。 さらに、KMDPロジックは現在最も人気がありますが、最も純粋な形式ではありません。 すべての技術革新は、電子機器メーカーの企業秘密です。

たとえば、TTL（トランジスタ-トランジスタロジック）の動作を考えてみましょう。 入力にある興味深いトランジスタは実際には特定のデバイスではなく、すべて統合された方法で実装されていますが、それについては後で詳しく説明します。 たとえば、供給電圧が5ボルトで、入力AとBの信号「0」、つまり 約0.1ボルト。 これは、エミッタ接合が順方向にバイアスされていることを示唆しています。 デバイスがシリコンでできている場合、そのような遷移では約0.7ボルトになります（これは潜在的な障壁に関連する事実です）。 次に、キルヒホッフの法則2に基づいて、入力トランジスターのベースとグラウンドの間で、出力トランジスターで約0.8ボルト降下すると言うことができます。 ここでは精度は重要ではありませんが、主なことはこれが十分ではないことを理解することです、電流がこの回路を流れるためには少なくとも0.7 + 0.7が必要である、なぜなら回路には2つのpn接合があるからです2番目）。 次に、出力のトランジスタが閉じられ、キー「1」の出力が閉じられます。 AとBが「1」と「0」（または「0」と「1」）の場合、入力の異なる電位が閉じられ、pn接合も順バイアスになるため、何も変わりません。 ただし、入力 "1"および "1"に送信する場合、つまり 各5ボルトの場合、ベースとエミッタ間の遷移は逆バイアスになります。 つまり それらは小さな電圧を持ちます。これは、ベースがほぼ5ボルトであることを示します。 ここでも、精度は必要ありません。 重要なことは、この電圧はすでに十分であり、両方のpn接合を静かに開くことです。 これにより、電流が流れ始め、出力トランジスタが開き、出力が「0」になるという事実につながります。 A、B、およびYの間のこの種の関係は、2I-Notと呼ばれます。これは、これが論理乗算演算であり、反転であるためです。

また、非常に興味深いのはI2L（統合インジェクションロジック）です。この図には示されていません。 しかし、ソビエト連邦ではあまり人気がありませんが、その応用には大きな成功がありました。 その独自性は、超低消費電力（最大1ボルトの電圧で動作可能）、耐ノイズ性、および非常にコンパクトな寸法（平面技術で接続）にあります。 多くのことを言う必要があるため、その作業の原則もここでは述べません。

まとめ

トランジスタキーにより、ユニバーサル論理カスケードの形成が可能になります。これは、接続をカスケード接続することにより、より複雑な論理機能を形成できるゲートです。 最新のデジタルデバイスはすべて、この種のバルブで構成されています。 今日では、マイクロ回路を設計するとき（次のセクションを参照）、トランジスタスケールを使用することはほとんどなく、すべて既製の論理モジュール間の接続を記述することになります（多くの場合、これにはHDL言語が使用されます）。

ステップ12.プロセッサ内のトランジスタはどこにありますか？

現代の半導体デバイスの代表的なものは、プロセッサやその他の超小型回路です。 これらのデバイスはすべて、pn接合に基づいています。 数百万のトランジスタがキーを形成し、キーがさまざまな演算を実行する論理要素を形成します：加算、減算、乗算、除算など。 要素2Iの実装方法について- ロジックの代数に関する追加の文献で、これをすべて実装できるわけではありません 。

現代の洗練されたマシンは、いわゆるプレーナー技術を使用して、このような膨大な数のトランジスタをこのような小さな次元に「削り」 ます 。 その本質は、きれいな半導体片（薄い板）を取り、適切な場所に不純物を配置するために、特別なマスクを介してさまざまなレベルの不純物をその上に重ねることです。 そして複雑な化合物を交互に形成します。 これらは非常に高度な技術であり、止まらない。 もちろん、ここで説明するよりも操作がはるかに複雑になりますが、原理は同じままです。 半導体マイクロ回路の製造に関する詳細は文献で読むことができ、 Intelの 興味深い記事を見ることができます。

まとめ

この記事では、可能であれば、電子機器の非常に重要な分野について簡単に説明します。 議論されたトピックは、半導体デバイスの動作原理を一般的に理解するための最も重要な鍵と考えられます。 以下の書籍と記事のリストは、質問に対する答えを見つけるのに役立ちます。 もちろん、半導体エレクトロニクス産業は長い間、社会の科学技術開発のペースを設定します。 EE Timesによれば、この分野の代表としてのプロセッサが2012年の技術動向に含まれているのは、何の理由でもありません。

ステップ13.読む

1. Kittel C.固体物理学入門。
2. Landau、L.D.、Lifshits、E.M. Field Theory。
3. ファインマンR.、レイトンR.、サンズM.ファインマン物理学講義。 電気と磁気。
4. ファインマンR.、レイトンR.、サンズM.ファインマン物理学講義。 連続物理学。
5. ポール・ホロヴィッツとウィンフィールド・ヒル。 エレクトロニクスの芸術。
6. ピーター・Y・ユー、マヌエル・カルドナ。 半導体の基礎：物理および材料特性。
7. Li、Sheng S.半導体物理エレクトロニクス。
8. S.A. ガブリロフ。 半導体回路。 開発者の秘密。
9. Tolmachev V.V.、Skripnik F.V.エレクトロニクスの物理的基礎。
10. ダイオード。 ダミー （ AveNat ）。
11. バイポーラトランジスタ。 ダミー （ AveNat ）。
12. 電界効果トランジスタ。 ダミー （ AveNat ）。
13. 半導体デバイス-ダイオード （ IIIa66uMEM6eP ）。
14. pn遷移 （ Dooez ）。
15. 最も単純な論理回路。 パート1とパート2 （ appplemac ）。
16. Pentium IIIの剖検、顕微鏡下での写真 （ アリザール ）。
17. チップNvidia 8600M GT （ Tiberius ）を開きます。

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