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3D动画讲解:晶体管的工作原理,最后震撼了。。。

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:1190

1947年,美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。

图片

由于晶体管具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点,晶体管问世后,很多之前不能实现的功能在电子线路特别是脉冲电路、数字电路中得以实现,让我们一块捋一捋。下面这个视频讲的比较直观、透测,是学习科普的极佳作品,建议大家看看(有翻译)!

(视频来源:TEDEd,翻译:@Turbo小小周)


下面这个动画是LearnEngineering制作的,视频中我们可以很直观的学习晶体管的工作原理,晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型组成发射极(Emitter)、基极(Base) 和集电极(Collector);场效应晶体管的三个极,分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。

晶体管则主要包括  MOSFET、IGBT、双极性晶体管Bipolar (也叫三极管)等。 在这三种晶体管的市场竞争格局方面,三极管的市场相对比较分散,因其价格低,在少数价格敏感、感性负载驱动等应用中还有一定需求,但由于三极管存在功耗偏大等问题,在全球节能减排的大环境下,其市场规模总体趋于衰退,正在被MOSFET所取代。  
       

芯片晶体管横截面


  晶体管是电子电路的核心元件, 主流的晶体管包括 MOSFET 和 IGBT 两种 ,前者具有驱动简单、高频特性好的特点,具有双向导电特性,主要用于高频率,低功率的工作环境,广泛运用于消费电子、通信、工控和汽车电子等领域; IGBT 则具有开关频率高、不耐超高压和可改变电压等特征,主要适用于低频率、高功率的工作环境,广泛应用于逆变器、变频器和电源开关等领域,被称为电子行业的“CPU”。



  芯片中可以有100多亿个晶体管,如此之多的晶体管,会是怎样的存在呢,当芯片被不停地放大后,我们看到了一个奇迹:      这是一个Top-down View 的SEM照片,可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构,越往下线宽越窄,越靠近器件层。


   


这是CPU的截面视图,可以清晰的看到层状的CPU结构,芯片内部采用的是层级排列方式,这个CPU大概是有10层。其中最下层为器件层,即是MOSFET晶体管。


   


Mos管在芯片中放大可以看到像一个“讲台”的三维结构,晶体管是没有电感、电阻这些容易产生热量的器件的。最上面的一层是一个低电阻的电极,通过绝缘体与下面的平台隔开,它一般是采用了P型或N型的多晶硅用作栅极的原材料,下面的绝缘体就是二氧化硅。


平台的两侧通过加入杂质就是源极和漏极,它们的位置可以互换,两者之间的距离就是沟道,就是这个距离决定了芯片的特性。


拥有2.6万亿晶体管的芯片,来自Cerebras系统公司


当然,芯片中的晶体管不仅仅只有Mos管这一种类,还有三栅极晶体管等,晶体管不是安装上去的,而是在芯片制造的时候雕刻上去的。






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