Как работает транзистор? Ну очень доступное видео-объяснение



    Думаю, практически все представители хабрасообщества понимают, как работает транзистор (да и не только он). Тем не менее, я предлагаю оценить объяснение работы транзистора (а также полупроводников и прочего), представленное пользователем YouTube 1vertiasium. Видео — англоязычное, но объяснение настолько красочное, что и так все понятно.

    Мне кажется, если бы такое видео показывали бы в школе, даже самые далекие от учебы, нерадивые ученики, понимали бы что к чему.

    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 65
    • –28
      Мне кажется, стоит не видео показывать, а вживую чтоб физичка брала шарики, наряжалась в улей и множилась.
      • 0
        Зря ёрничаете, это же популяризация науки для обывателей. На русскоязычном ютубе этим мало кто занимается (GTV не в счёт, в самом деле).

        Более серьезное объяснение есть на втором канале автора. Рассказчик другой, но снимает видео всё тот же бородатый человек с зелеными шариками.
      • +14
        В конце видео была ссылка на еще одно про принципы работы квантового компьютера. Советую: www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4
        • +14
          В англоязычном YouTube много качественных научно-популярных каналов. Помимо Veritasium ещё рекомендую Vsauce, MinutePhysics и Numberphile.
          • +5
              • +6
                TED-Ed Разные темы.

                Periodic Table of Videos Химия с клёвым профессором.

                SmarterEveryDay Замедленная съемка.

                C. G. P. Grey Разные темы.

                Science@NASA

                The Nerdwriter Разные темы. Мне очень понравилось видео о положении нашей цивилизации во вселенной. www.youtube.com/watch?v=XhkwT466ykc

                Ben Krasnow Крутой электронщик и мастер на все руки создает сложные штуки.

                Sixty Symbols Наука.

                edX канал MIT

                PlanktonFilm Видео о планктоне никогда не были столь красивыми и интересными.

                • +1
                  Вот еще несколько, помимо уже названных:
                  Vsauce2 — развлекательный от создателей Vsauce
                  Vsauce3 — про игры и моб. приложения от них же
                  PBS Idea — с общей идеей как у оринального Vsauce
                  Crash Course от братьев Grey (не путать с Сашей Grey, которую, я знаю, здесь очень любят)
                  Bite Sci-zed — девчушка Alex Dainis задорно рассказывает про всякое научное
                  Vihart — другая девчушка Victoria Hart рисует всякие штуки шутки на бумаге в клеточку
                  SpaceRip — просто про космос
                • +6
                  Ну, вот теперь и я понял, как оно работает. =)
                  • +30
                    Вот наш ответ Чемберлену:

                    • +7
                      Наш ответ более подробный и не менее интересный ))
                      • +14
                        Наш ответ добрый теплый и ламповый, расчитанный на инженеров.
                        • +9
                          Наш ответ рассчитан на советского школьника.
                          • –13
                            Советский школьник == забугорный инженер:)
                            • +6
                              Советский школьник > забугорный инженер. Только вот сейчас нет больше советских школьников.
                              • +2
                                Их и в союзе мало было
                        • 0
                          Мне кажется всё таки наше как то понятней. У них больше для детей дошкольного возраста, цветные шарики и человечки.
                          • +2
                            Интересно как вы разделили на «них» и «нас». :) Прямо так и представил как будущих разработчиков микропроцессоров обучают в Стенфорде на шариках и человечках. На самом деле это всего лишь научно-популярное видео для тех, кому не нужно углубляться в дебри электроники. И сделано довольно интересно.
                            • 0
                              Я ни кого не разделял. Тут наше видео и иностранное. Всё предельно просто. Я склонился к интересности и познаваемости к нашему.
                        • 0
                          Это супер видео. Очень любил его в университете одногруппникам показывать. Один фиг большинство из них не понимало :(
                          • +1
                            кстати, да… «наш ответ» лучше. Логично начинать объяснение с диодов, а потом уже рассказывать о транзисторе…
                            • 0
                              Оба варианты хреновы, потому что выставляют своё объяснение истиной, в то время как это выдумка.
                              • +1
                                Оба варианта никак не противоречат существующей теории работы p-n перехода и являются хорошим упрощением данной теории до полного отсутствия математики и прочих достаточно сложно понимаемых понятий как потенциальная яма, потенциальный барьер и прочих диффузных и дрейфовых токов.
                                • –3
                                  Вы где-то в учебниках видели, чтобы там сообщалось о внутренней протеворечивости какой-либо теории и о её временном характере. Все теории в пределе опровергаются. Но нет! Учат всех что Земля плоская и наплевать! Вы можете соотнести силы притяжения электрона протоном и дыркой? Ну прям вот так: F1 больше F2 в 20 раз или наоборот? А может быть системы n и p всегда существуют в равновесии и если им что-то надо, они возьмут это из воздуха? Для меня эта теория не настолько очевидна, чтобы я считал, что я её понимаю. А еще, если кому-то интересно, можете проверить тот факт, что тепловое движение электронов в проводнике при комнатной температуре в 1000 раз быстрее, чем упорядоченное под действием максимально допустимого тока.
                                  • +4
                                    Вы собственно против каких мельниц воюете сейчас? Есть своя, лучшая теория, или так, погудеть?
                                    • –4
                                      Есть люди, которым в голову вдолбили — они и рады.

                                      Для остальных скажу один критерий: если происходят техногенные катастрофы, значит, что-то не так. Это не только значит, что человеческий фактор, это еще значит, что железки создаются опасными изначально — опасность невозможно было просчитать. А если так происходит, значит современная наука в ж**е. Да и вообще, приходишь тут, говоришь про какие-то проблемы, а все делают вид, что либо их нет, либо это не важно. И так везде. А от того, что это так везде, атомные станции взрываются и будут взрываться, землятрясения не предсказываются и не будут и еще много всего не будет изученно, из-за таких вот вездесущих повторюш всем известных и утвержденных группой заинтересованных ученых истин.

                                      И если кто-то до сих пор не понял, что я говорю вообще не о физике, а о социальном явлении, то отвечать не стоит.
                                      • +3
                                        Как страшно жить в мире с Принципом неопределённости Гейзенберга и всякими энтропиями. А человек так вообще не просто смертен, а внезапно смертен, как у классика. Вам в самый раз начинать строить Лемовскую этикосферу, которая сдвигает отношение мира к живущим в нём с нейтрального или даже враждебного на дружественный (фентезийный). Если вы понимаете о чём я.
                                        • 0
                                          Не понял ничего вообще:) Так неужели мир в котором люди дурят друг другу головы, а потом происходят катастрофы — фантазийный?
                          • +2
                            Я почему-то подумал, что он про биполярный транзистор объясняет на пальцах, и приготовился высмеивать. Ан нет, хитрец объяснил про полевой…
                            • +3
                              похоже автор посчитал, что биполярный транзистор вызовет переполнение буфера знаний у основной массы… )
                              • 0
                                Так сейчас самые высокотехнологичные чипы построены на полевых транзисторах, поэтому от упомянутых в начале тамагочи и смартфонами к полевым логичнее переходить. Так что, считаю, тут не схалявили, а взяли ближе к практике.
                              • 0
                                Русские субтитры не помешали бы, или хотя бы английские
                                • +2
                                  английские там уже есть
                                  • +1
                                    Он и так очень внятно и хорошо говорит. Я, хотя не скажу, что отлично знаю язык, на слух понял почти все.
                                • –5
                                  Обидно, что такое видео может чему-то научить наших лучших представителей IT отрасли…
                                  • +2
                                    наших лучших представителей IT отрасли

                                    Про кого вы?
                                    • 0
                                      Ну, я сделал комплимент всем, кто читает Хабр.
                                  • 0
                                    Отличный образовательный канал, очень доступно всё этот мужик объясняет. Если интересно, ещё образовательные каналы, с удовольствием смотрю:
                                    www.youtube.com/user/Vsauce/videos
                                    www.youtube.com/user/destinws2/videos
                                    www.youtube.com/user/minutephysics/videos
                                    www.youtube.com/user/minuteearth/videos
                                    • 0
                                      Можете мне напомнить что такое дырки и почему они есть в одних атомах, а в других нет?
                                      • +1
                                        Основа полупроводника — кремний. У кремния 4 электрона во внешнем слое, соответственно каждый атом кремния связан с четырьмя соседями в кристалле.

                                        Чтобы получить p-область или n-область кремний легируют.
                                        Для создания p-области кремний легируют (примешивают к нему) химическим элементом, содержащим 3 электрона во внешнем слое (например бором). Таким образом образуются «дырки» т.е. области где должен бы находиться электрон, но его там нет.

                                        Для создания n-области кремний легируют химическим элементом, содержащим 5 электронов во внешнем слое (например фосфором). Таким образом, образуется «лишний» электрон, не участвующий в построении кристаллической решетки.

                                        Ну а сочетание n-областей и p-областей образует p-n переход, обладающий свойствами о которых рассказано выше.
                                        • 0
                                          Спасибо, что откликнулись, а что является основанием к тому, чтобы считать, что дырка есть? Например, ядро бора с лишним протоном или атом бора в кристаллической решетке ведет себя абсотютно также, как кремний? //Симметрично: как в такую решетку влазиет фосфор или почему-это фосфору легко потерять пятый электрон?
                                          • +1
                                            Фосфор — элемент пятой группы. Кремний — четвёртой. У фосфора, по сравнению с кремнием, на один валентный электрон больше.

                                            А собственно во всех интересующих нас процессах участвуют только валентные электроны.

                                            Так что, в решётке кремния, рассчитанной на четырёхвалентные атомы, атому фосфора неудобно — пятый электрон торчит без дела. И фосфор с ним легко расстаётся.

                                            Трёхвалетной примеси, наоборот, не хватает электрона, она постоянно пытается отнять его у соседних атомов — на них получается дырка.
                                            • 0
                                              Я может глупые вопросы задаю, но я раньше думал, что электрон удерживаеся протоном ядра. А это бы значило, что никаких дырок в боре нет и у фосфора ничего лишнего тоже не торчит, поэтому мне интересно что это за сила, что тянет на себя электрон для бора и выталкивает его у фосфора. А про удобства я не очень понимаю, даже вообще ноль:)
                                              • +5
                                                Электрон в кристалле удерживается не «протоном», а взаимодействует со всем кристаллом. Собственно, поэтому кристалл и не рассыпается — он держится именно за счёт этого взаимодействия.

                                                В хорошем приближении для отдельного атома можно считать, что есть атомный остов (в который ядро и внутренние обополчки), с которым взаимодействуют валентные электроны (внешней оболчки, не заполненной до конца). [Сама по себе идея оболочек — это уже приближение, но опять же приемлемое.] Структура атомного остова нас в данном случае не интересует.

                                                Итак, у кремния четыре валентных электрона. Ну и ещё есть уровни вверху, на которые эти электроны могут перейти, поглотив энергию, или откуда могут вернуться, освободив её. Собственно, эти прыжки — изменение состояния электрона, т.е. это и есть его движение, пока что в рамках отдельного атома.

                                                Но у нас не отдельные атомы, а кристалл с числом атомов порядка числа Авогадро (~6*10^23), т.е. очень много. В кристалле, грубо говоря, каждый отдельный уровень атома расщепляется на много уровней энергии кристалла за счёт взаимодействия электронов теперь уже не с отдельным своим остовом, а со всеми другими частицами кристалла. Уровней получается столько же, сколько атомов в кристалле, а расположены они очень плотно. Эти плотные коллекции уровней называются «зонами» кристалла. Теперь электронам кристалла нужно перескакивать на свободные уровни. Но вот беда: в кристалле кремния есть зоны, доверху заполненные электронами, и есть зоны, полностью свободные от них, и эти зоны разделены энергетической щелью. Так что опять барьер, двигаться толком электроны не могут — им сил не хватает.

                                                Только отдельные электроны прорываются туда наверх, при этом на месте электрона в нижней зоне остаётся пустое место — дырка. Другие электроны в заполненной зоне могут теперь довольно свободно перемещаться на это место (разница энергий соседних уровней в пределах зоны ничтожна), при этом освобождая другое — так получается, что дырка перемещается по кристаллу. А выскочившие электроны — их мало, а в зоне уровней много и практически вся зона к ним услугам, так что они тоже движутся там относительно свободно. Это — собственная проводимость кремния.

                                                Надо сказать, спектры соседних атомов различаются довольно сильно. Значит, различаются их «карты уровней». Добавляем немного фосфора в кремний — и там получается, что уровни фосфора не очень-то вписываются в общую картину зон кремния. Выходит так, что рядом со свободной зоной образуется узкая заполненная зона. В этой зоне уровней — столько, сколько атомов примеси. Раз она образовалась рядом со свободной, электронам с неё довольно просто (не совсем без труда, конечно, но гораздо проще, чем собственным электронам кремния) освободиться и спокойно дрейфовать по кристаллу. Образуются, конечно, дырки, но они оказываются гораздо менее подвижны, чем электроны, потому, что фактически большая часть электронов с лишней узкой зоны сбегает в свободную, где они гуляют как хотят, а вот там, откуда они взялись, электронов не остаётся, одни дырки, и они друг другу двигаться мешают. Итого, у нас движутся в основном электроны — это проводимость n-типа.

                                                Ну, а если вместо фосфора добавить бор, то тоже образуется узкая лишняя зона, но на этот раз пустая и находится рядом с заполненной зоной кремния. Туда перескакивают электроны кремния, и там они довольно слабо перемещаются (потому, что их там оказывается много и и они толкутся, мешая друг другу), а вот оставшиеся на их месте дырки в некогда заполненной зоне — очень даже неслабо, т.к. этих дырок немного по сравнению с числом уровней. Здесь движутся в основном дырки, проводимость получается типа p.

                                                Как-то так.
                                                • 0
                                                  С точки зрения закона сохранения заряда скорость и количество перемещающихся электронов и дырок, вроде, одинаковы и противоположны по направлению. Отдельный кусок полупроводника одного типа будет проводить ток в обоих направлениях одинаково.

                                                  Основные преимущества появляются при соединении p- и n- областей. И это очень хорошо показано в фильме.
                                                  • 0
                                                    С точки зрения закона сохранения заряда скорость и количество перемещающихся электронов и дырок, вроде, одинаковы и противоположны по направлению.
                                                    Странное утверждение. После рекомбинации свободный электрон и дырка двигаются совершенно независимо.

                                                    Отдельный кусок полупроводника одного типа будет проводить ток в обоих направлениях одинаково.
                                                    Кто-то спорит?
                                                    • 0
                                                      После рекомбинации свободный электрон и дырка двигаются совершенно независимо

                                                      Вроде, по Wiki дырка перемещается последовательной рекомбинацией электронами. Носители положительного заряда сидят в узлах решетки и самостоятельно перемещаться не могут.
                                                      • +2
                                                        … можно писать уравнения так, будто это движутся электроны. А можно их представить в таком виде, будто движется такая странная частица с положительным зарядом. Никакой частицы нет, а уравнение можно написать будто она есть. Назвали «дыркой».

                                                        Частица типа «электрон в кристаллической решётке» — это тоже вам не простой электрон, он так же нереален, как и «дырка». У него свойства другие, чем у реального электрона. Например, «электроны в кристаллической решётке» могут притягиваться друг к другу — странно, не правда ли? (Это происходит в сверхпроводниках.)

                                                        Мы говорим «электроны» и «дырки», в обоих случаях подразумеваем квазичастицы, в реальности не существующие. Просто почему-то не принято пояснять, что «электрон» в данном случае — это именно «электрон в кристаллической решётке», тоже квазичастица.

                                                        Другие фигуры речи, которые физики применяют, а окружающие не понимают: «энергия электрона». На самом деле речь идёт об энергии системы «электрон + что вокруг него».
                                                        Ещё одна такая штука — это электронные оболочки. На самом деле, там есть некое «облако», плотность которого распределена особым образом — это облако имеет заряд типа "+N". Который из N электронов атома оказался «валентным» в данном конкретном случае — определяется в момент эксперимента (квантовая редукция), а пока мы не наблюдали — все они абсолютно равноценны.
                                                        • 0
                                                          Вы путаете связанные (или как они там называются) электроны со свободными (они же возбужденные).

                                                          Дырка перемещается последовательным обменом с первыми, движения же вторых с движением дырок ни как не связаны.
                                                      • 0
                                                        У человека был фактически вопрос, как так получается, что в подупроводнике n-типа преобладают электроны, а в p-типа — дырки, и почему такая «ионизация» вообще происходит. Я вроде ясно пояснил, что те дырки, которые остались от электронов примеси n-типа, не могут двигаться. А электроны могут.

                                                        Про направление и взаимодействие полупроводников разных проводимостей вообще речи не было, никто не спрашивал, никто и не отвечал ;)
                                                    • 0
                                                      Правильно ли я понял, что в кристалле кремния с примесью фосфора есть куча электронов, которые хотят сбежать из кристалла? Если это так и про бор аналогично наоборот, то правильно ли я понял, что, соединив два равных по количеству примесей кристалла, пробежит электрический ток(электроны фосфора сбегут к бору) и установится полное равновесие? А далее (по принципу суперпозиции) внутри кристаллов во всех точках (в среднем) поле для электронов будет более-менее скомпенсировано и равномерно?
                                                      Кроме этого мне интересно отличается ли проводимость кремния от проводимости p- и n-материалов?
                                                      • 0
                                                        Никто не хочет сбежать из кристалла. Сам кристалл в целом нейтрален, и если кто-то попытается сбежать, его будут тянуть назад электростатические силы. (Ну или если кто лишний попытается добавиться — они же его будут выталкивать).

                                                        Я забыл упомянуть одну важную и интересную вещь. В первом приближении структура уровней (электронных оболочек) атома или иона вообще не зависит от ядра. Она зависит только от самих оболочек — количества электронов. Будет у нас четыре электрона на внешней орбитали — спектр этого объекта будет как у атома кремния, даже если там ядро фосфора. Это правда окажется ион P+, но структура его валентных орбиталей будет как у атома кремния, только все они будут чуть-чуть «ниже» (всё-таки ядро фосфора посильнее притягивает электроны, и уровни в ионе «опустятся»). Это видно и на спектрограммах.
                                                        В общем, ион фосфора в кристалле кремния — свой человек, атомы кремния его принимают как родного брата.

                                                        Ну, а кристалл нейтральный. Раз там внутри есть положительно заряженный ион, значит где-то там же есть и лишний электрон, который весьма вольно блуждает по кристаллу. Но сбежать оттуда, повторюсь, не может — не пускают.

                                                        Можно соединить два полупроводника — p и n. Какое-то короткое время ток да, будет идти. Картинка на стыке будет такая: из n-части, исчезнет какое-то количество электронов, а из p-части — некоторое количество дырок. Соответственно, в n-части возникнет небольшой положительно заряженный слой (+, т.к. исчезли электроны), а в p-части — отрицательно заряженный. Как только образуется двойной слой, положительно заряженный слой в n-части будет отталкивать новые дырки из p-части и наоборот, т.е. процесс рекомбинации прекратится.

                                                        Внутри двойного слоя будет существовать поле, которое наружу «не торчит» — потому же, почему наружу не торчит поле обычного плоского конденсатора. Если вы это понимаете как «принип суперпозиции», пусть будет так, хотя лучше не путать физику и математику.

                                                        Вы посмотрите видео, которое в комментарии оставили habrahabr.ru/post/186396/?reply_to=6490688#comment_6483218 — там всё это в картинках показано.

                                                        Проводимость чистого кремния гораздо меньше, чем у легированного.
                                                        • 0
                                                          По поводу видео. Хочу чтобы меня правильно поняли. Я стараюсь понять всю эту систему с диодом вцелом. В видео я не понимаю то, что рассказывается в первых 20 секундах, после чего дальнейшее объяснение становится основанным на том, что я не понимаю. Поэтому я пока что хочу понять эти дырки и что там еще:)

                                                          Как я понял, есть две силы, действующие на электрон: сила притяжения его ядром, навроде силы кулона и вторая — неведомая сила решётки (сокр. НСР). Т.к. речь идет об электроне, позиционируемом в 3D-пространстве, то у меня едет крыша на том, чтобы понять как это так: сила ядра фосфора бегает за пятым электроном по всему кристаллу и не отпускает его + Если электрону не важно где находиться в кристалле и он носится по нему хаотически, то как на него может действовать сила решетки (или хотя бы как мы можем об этом рассуждать)?

                                                          По суперпозиции. Я не понял замечания, выписанного мне по поводу путаницы между физикой и математикой. В школе мы изучали, что сила кулона или сила гравитации векторно суммируется на объекте и на выходе мы получаем один готовый вектор. Я об этом. Не понял, где тут разница между физикой и математикой, когда вся физика построена на математике.

                                                          Наверное, если этот принцип соблюдается, то мне было бы интересно представить его в решетке ядер. Не могли бы вы продемонстрировать распределение поля сил НСР в кристалле? Можно ли мне, для наглядности, пытаться представить секущую плоскость в кристалле и сравнить распределение поля НСР в ней с формой упаковки куриных яиц? Наподобии функции Z(x,y) = sin( sqrt(x*x+y*y) )
                                                          • 0
                                                            Да, похоже. Представьте себе шарик, который находится в этой куриной решётке. Он будет скатываться, а сила и направление зависят от положения шарика. Электрон находится в подобной ситуации, но в трёхмерной.

                                                            Так вот, одна из стенок этой решётки стала вдруг очень «высокой», и теперь туда электроны добраться не могут.
                                                            • 0
                                                              Поле силы решетки формируется ядрами или не только ядрами?
                                                              • 0
                                                                И электронами тоже. Если будете потом думать про то, как через всё это течёт ток — тогда к образующим поле добавится ещё и источник питания.
                                                                • 0
                                                                  Я понял, что мне именно этих картинок не хватает.
                                                    • 0
                                                      Так «для себя» у них все на месте. Но хитрость в том, что их «запихивают» в идеально чистый кремний с его личной кристаллической решеткой.

                                                      Например, у водорода и кислорода тоже все электроны на месте, но накачивая воду электронами можно заставить их бросить друг друга, и стать самими собой.

                                                      Кремний — не жидкость, бежать атомам некуда, по этому они на время прикидываются, что разложились на кремний и соседа.
                                              • 0
                                                Насколько я знаю, дыркой называется атом, потерявший хотя бы один электрон (т. е. атом, который перестал быть нейтрально заряженным и стал положительно заряженным). В итоге получается, что у атома вместо потерянного электрона как бы дырка, на место которой стремятся встать электроны из соседних атомов (чем и обеспечивается течение электричества).
                                              • 0
                                                А ведь объяснение-то неправильное! Канал образуется в полевом транзисторе не потому, что разрушается запирающий слой на p-n переходах, а потому, что под действием электрического поля в области под затвором происходит фактически превращение полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, что и обуславливает проводимость между стоком и истоком.

                                                Ну и оставлен в стороне вопрос о линейном участке характеристики транзистора. Все же лучше изучать транзистор по книге Хоровица и Хилла. Там гораздо доступнее и понятнее. «Transistor man» рулит!
                                                • 0
                                                  Вспомнилось почему-то

                                                  image
                                                  • 0
                                                    Сегодня с коллегами позабавились. Товарищ на фото ну просто оооочень похож на нашего электронщика :)
                                                    • –1
                                                      Видео — англоязычное, но объяснение настолько красочное, что и так все понятно.

                                                      Нет, без перевода ничего не понятно.

                                                      Думаю, практически все представители хабрасообщества понимают, как работает транзистор (да и не только он).

                                                      Уверен, что Вы заблуждаетесь.
                                                      • 0
                                                        Я что, кого-то обидел или задел за живое? На хабрахабр много хабов, где знание схемотехники совершенно не требуется и я уверен, что пользователей, не знающих каких-либо основ из схемотехники или физики тоже много. Поэтому, для доступного объяснения такое убеждение губительно.

                                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                      Самое читаемое