Транзистор в компьютере: простым языком для чайников, схемы

Содержание

ученые создали многозначный логический транзистор

Компьютеры и аналогичные электронные устройства стали быстрее и ощутимо меньше за последние десятилетия, так как производители компьютерных микросхем научились сокращать размеры отдельных транзисторов — крошечных электрических переключателей, которые передают цифровую информацию.

Погоня ученых за уменьшением размера транзисторов позволила упаковывать большее их количество в каждый кремниевый чип. Но эта гонка почти закончена: исследователи быстро приближаются к физическому минимуму для размера кремниевого транзистора, 10 нм — в этом случае он будет состоять всего лишь из пары-тройки десятков атомов. Дальнейшее уменьшение размера транзистора чревато резким повышением токов утечки и появлению эффекта туннелирования (когда электрон проходит через вещество, не замечая его) — иными словами, транзистор перестает им быть.

«Кремниевый процессор в современной технике имеет сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов», — сказал доктор Кёнджо Чо, профессор материаловедения и инженерии в Техасском университете в Далласе.

 «Но мы быстро приближаемся к нижним пределам масштаба».

Чтобы продолжать наращивать производительность процессоров, индустрия микроэлектроники ищет альтернативные технологии. Исследование Чо предлагает интересную возможность сделать транзистор быстрее без уменьшения его техпроцесса — увеличить его словарный запас.

Так как с физической и электрической точки зрения транзистор является переключателем, то он может быть либо включен, либо выключен, что можно трактовать как 0 или 1 в двоичном языке. Одним из способов увеличения производительности процессора без добавления дополнительных логических элементов является увеличение объема информации, с которым работает каждый транзистор, путем введения промежуточных состояний между состояниями включения и выключения. Основанный на этом принципе так называемый многозначный логический транзистор позволит обрабатывать больше операций и работать с большим количеством информации, чем обычный бинарный транзистор.

«Концепция многозначных логических транзисторов не нова, и было много попыток сделать такие устройства», — сказал Чо.

Например, в конце 50-ых годов в СССР был создан компьютер «Сетунь», который работал на троичных ферритодиодных ячейках. В каждый трит (троичный аналог бита) записывалось два двоичных разряда: иными словами, комбинации (0,0) и (1,1) давали в результате 0, (0,1) — это -1, а (1,0) уже 1, так что в итоге получалась симметричная троичная система (-1, 0, 1). Однако, такие ячейки были дороги и трудны в производстве, так что после производства 46 таких компьютеров от них решили отказаться в пользу более привычных и дешевых двоичных транзисторов.


Компьютер «Сетунь».


Команда Чо в Техасском университете разработала фундаментальную физику многозначного логического транзистора на основе оксида цинка. Их коллеги в Южной Корее успешно изготовили и оценили характеристики прототипа устройства на их базе. Устройство Чо способно к двум электрически стабильным и надежным промежуточным состояниям между 0 и 1, увеличивая число логических значений на транзистор с двух до трех или четырех.

По словам Чо, его новое исследование является важным не только потому, что технология совместима с существующими конфигурациями компьютерных чипов, но также и потому, что она может преодолеть разрыв между обычными и квантовыми компьютерами, что потенциально является следующей вехой в развитии вычислительной техники.

В то время как обычный компьютер использует точные значения 1 и 0 для выполнения вычислений, основная логическая единица квантового компьютера — кубит — устроена более сложно: его значения могут существовать в виде комбинации 1 и 0 одновременно или в любом месте между ними. Несмотря на то, что до коммерческих квантовых компьютеров еще очень далеко, теоретически они способны решать определенные проблемы (например, подбор пароля) гораздо быстрее, чем современные компьютеры.

«Устройства, базирующиеся на многоуровневой логике, будут быстрее, чем обычные компьютеры, потому что они будут работать не только с двоичными логическими единицами. Но все же квантовые устройства будут быстрее, потому что кубиты имеют непрерывные значения», — сказал Чо.

«Транзистор — уже достаточно зрелая технология, а квантовые компьютеры еще и близко не готовы к коммерциализации», — продолжил он. «Между ними существует огромный разрыв. Итак, как нам перейти от одного к другому? Нам нужен какой-то эволюционный путь, технология между двоичными и бесконечными степенями свободы. Наша работа по-прежнему основана на транзисторных технологиях, которые используются в существующих устройствах, поэтому она не такая революционная, как квантовые вычисления, но она все равно развивается в этом направлении».

Технология, которую Чо и его коллеги разработали, использует новую конфигурацию двух форм оксида цинка, соединенных для формирования композитного нанослоя, который затем объединяется со слоями других материалов в сверхрешетке. Исследователи обнаружили, что они могут достичь физики, необходимой для многозначной логики, встраивая кристаллы оксида цинка, называемые квантовыми точками, в аморфный оксид цинка. Атомы, составляющие аморфное твердое вещество, не так жестко упорядочены, как в кристаллических твердых телах.


На изображении слева показаны две формы оксида цинка, объединенные для формирования составного нанослоя в транзисторе нового типа: кристаллы оксида цинка (внутри красных кружков) встроены в аморфный оксид цинка. Изображение справа — компьютерная модель структуры, которая показывает распределение электронной плотности.

«Создавая этот материал, мы обнаружили, что можем создать новую электронную структуру, которая обеспечит такое многоуровневое логическое поведение», — сказал Чо, подавший заявку на патент. «Оксид цинка — это хорошо известный материал, который имеет тенденцию образовывать как кристаллические, так и аморфные твердые вещества, поэтому с самого начала это был очевидный, но, возможно, не самый лучший выбор. Нашим следующим шагом будет изучение то, насколько универсальным является такое поведение среди других материалов, поскольку мы пытаемся оптимизировать технологию. Двигаясь вперед, я также хочу посмотреть, как мы можем связать эту технологию с квантовыми устройствами».

Ученые создали супер-быстрый транзистор, работающий при комнатной температуре

Ученые из IBM в Цюрихе и Сколтеха разработали оптический транзистор, состоящий из органического полупроводника и работающий при комнатной температуре. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Photonics и даже отражены на его обложке.

Современные компьютеры уже круто изменили нашу жизнь, однако число и сложность задач по анализу данных продолжает расти. Это требует все более и более мощных вычислительных ресурсов .

В основе современных компьютеров лежит электронный транзистор и архитектура фон Неймана. Архитектура фон Неймана — это принцип, по которому в компьютерах хранятся данные и команды, а транзисторы – это строительные блоки из которых собирают компьютеры. За счет увеличения числа транзисторов и уменьшения их размеров, стали возможными смартфоны и другие подобные устройства, производительность и мощность которых в разы превышает эти показатели у огромных компьютером из недавнего прошлого.

Но далеко не факт, что так будет всегда, возможно компьютеры будущего будут использовать другие принципы, например, будут работать на основе искусственного интеллекта, или нас ждут квантовые компьютеры. Многие ученые тестируют разные технологии и пытаются понять, что же все –таки ляжет в основу компьютеров будущего.

Подсчитано, что мировая индустрия информационных и коммуникационных технологий, которая уже сейчас потребляет вдвое больше электроэнергии, чем вся Россия, к 2025 году будет потреблять до 1/5 мировых запасов электричества. Если вместо электронов использовать фотоны (элементарные частицы света), то эту серьезную проблему можно было бы решить при помощи оптического компьютера, позволяющего обрабатывать информацию со скоростью света, потребляя при этом гораздо меньше энергии.

Команда ученых из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе совместно с лабораторией профессора Павлоса Лагудакиса в Сколтехе разработала полностью оптический транзистор нового типа на основе поляритонов в органических структурах. Это первый в мире поляритонный оптическийтранзистор, способный работать при комнатной температуре и имеющий беспрецедентно высокий коэффициент усиления. Специалисты считают, что данная разработка является большим шагом на пути к созданию сверхбыстрых оптических логических схем и приближает появление реальных оптических компьютеров.

На первый взгляд может показаться, что фотоны являются идеальной заменой электронов, однако, до сих пор крайне низкая степень взаимодействия между фотонами существенно осложняла построение логических операций. Действительно, какой толк в получении идеальных сигналов на микросхеме, если их нельзя обработать? Для решения этой проблемы ученые Сколтеха и их коллеги из Исследовательского центра IBM в Цюрихе разработали новую структуру на базе органических полупроводников, в которой можно «смешивать» свет и вещество. Свет, попадающий в эту структуру, остается внутри нее и взаимодействует с веществом. В процессе этого взаимодействия образуются так называемые поляритоны, т.е. некий гибрид света (фотоны) и вещества (электроны). Придавая фотонам массу, поляритоны приобретают способность взаимодействовать между собой, что позволяет создавать оптические транзисторы и строить оптическую логику. Представленный исследователями новый полностью оптический поляритонный транзистор обеспечивает сверхвысокую скорость работы и рекордную эффективность. Показано, что тактовая частота нового транзистора может достигать 2 ТГц, что примерно в 1000 раз выше по сравнению с лучшими традиционным процессором. Если ранее разработки в данном направлении велись в основном в области сверхнизких температур, то с появлением органических полупроводников, способных работать при комнатной температуре, можно уже всерьез говорить о реализации реальных устройств на принципах поляритоники.

Аспирант Сколтеха и соавтор исследования Антон Бараников отмечает: «Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой я и остальные члены нашей группы трудились днем и ночью». Научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Антон Заседателев добавляет: «Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха ‒ это уникальное сочетание почти неограниченных экспериментальных возможностей – высококлассного, передового оборудования и команды молодых, талантливых, мотивированных исследователей. В этом состоит успех этой работы! Думаю, однажды фотонные процессоры работающие со скоростью света станут для нас такой же реальность, какой сегодня для нас является оптическая связь.»

Источник: Сколтех

История транзистора и транзисторного компьютера

Изобретение транзисторов является одним из наиболее важных открытий 20 – го века. Фактически, большинство электронных устройств, используемых в повседневной деятельности, основаны на транзисторах. От простого калькулятора до сложных систем сигнализации – этот крошечный электронный компонент внес большой вклад в электронику и электронные коммуникации.

 

Рассвет транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые устройства, которые выполняют две основные функции в электронной схеме – усилитель и переключатель. До эры транзисторов электронные лампы в основном использовались в качестве усилителя или переключателя в первой половине двадцатого века. Однако требования к высокому рабочему напряжению, высокое энергопотребление и высокое тепловыделение привели к тому, что электронные лампы со временем стали неэффективными и ненадежными. Не говоря уже о том, что эти трубки громоздкие и хрупкие, потому что корпус сделан из стекла. Чтобы решить эту дилемму, разные производители провели годы исследований в поисках подходящей замены.

Наконец, в декабре 1947 года трое физиков из Bell Laboratories успешно изобрели первый рабочий транзистор. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли потратили годы исследований, чтобы наконец разработать рабочий точечный транзистор. В 1948 году Шокли усовершенствовал устройство, превратив его в транзистор с биполярным переходом, который широко использовался в 1950-х годах.  Их изобретение было настолько важным, что Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены известной Нобелевской премии 1956 года.

 

Эволюция транзисторов

Как и любое другое устройство, транзисторы претерпели несколько нововведений. Еще в конце 1950-х годов германий сыграл решающую роль в разработке транзисторов. Однако транзисторы на основе германия имеют серьезные недостатки, такие как утечка тока и непереносимость температур выше 75 ° C. Кроме того, германий редок и дорог. Это побудило исследователей Bell Labs искать лучшую альтернативу.

Гордон Тил – громкое имя в эволюции транзисторов. Американский инженер Bell Labs, Тил разработал метод производства чистых кристаллов германия, которые будут использоваться в транзисторах на основе германия. Точно так же Тил экспериментировал с кремнием в качестве возможной замены германия. В 1953 году он вернулся в Техас после того, как ему предложили должность директора по исследованиям в Texas Instruments (TI). Используя свой опыт и знания в области полупроводниковых кристаллов, он продолжил работу над очищенным кремнием как заменой германия.  В апреле 1954 года Тил и его команда в TI разработали первый кремниевый транзистор, о котором было объявлено миру в мае того же года. Благодаря своим превосходным характеристикам кремний постепенно вытеснил германий в качестве полупроводника, используемого для транзисторов.

С появлением кремниевых транзисторов исследователи Bell Labs достигли еще одного прорыва, разработав транзистор, который может превзойти по характеристикам транзистор с биполярным переходом. В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с более низким энергопотреблением и большей плотностью, чем биполярный транзистор. Эти ценные характеристики значительно сделали полевой МОП-транзистор, который с тех пор стал самым широко производимым устройством в истории.

 

Преобразование компьютерных технологий

Изобретение транзисторов также было революционным в миниатюризации компьютеров. Как и в более ранних электронных устройствах, в компьютерах первого поколения в качестве переключателей и усилителей использовались электронные лампы.  После появления транзисторов производители также использовали небольшие устройства для создания более эффективных компьютеров меньшего размера. В последующие годы электронные лампы были полностью заменены транзисторами, что привело к появлению второго поколения транзисторных компьютеров.

Первым компьютером, в котором использовались транзисторы, был Транзисторный компьютер Манчестерского университета. Транзисторный компьютер был построен в качестве прототипа, состоящего из транзисторов с 92 точками контакта и 550 диодов, и был полностью введен в эксплуатацию в 1953 году. В 1955 году была представлена ​​полноразмерная версия этого компьютера с транзисторами с 200 точками контакта и 1300 диодами. Хотя в большинстве схем использовались транзисторы, это устройство не считалось полностью транзисторным компьютером, поскольку в его тактовом генераторе все еще использовались электронные лампы.

В середине 1950-х годов начали появляться похожие машины. Позже дизайн Манчестерского университета был принят компанией Metropolitan-Vickers, которая в 1956 году произвела семь машин, использующих биполярные переходные транзисторы. Однако устройство под названием Metrovick 950 не было коммерчески доступным и использовалось только внутри компании. Аналогичным образом, Bell Labs изобрела устройство TRADIC в 1954 году, но, как и в случае с транзисторным компьютером, TRADIC использовал вакуумные лампы в качестве тактовой энергии.

Компьютер управления Burroughs Atlas Mod 1-J1, построенный для ВВС США в 1955 году, был первым компьютером, полностью отказавшим от использования электронных ламп, и эта модель была первым полностью транзисторным компьютером. Массачусетский технологический институт также разработал TX-0, свой собственный транзисторный компьютер в 1956 году. Транзисторные компьютеры также начали появляться в других частях мира. Первым устройством, появившимся в Азии, стал японский ETL Mark III, выпущенный в 1956 году. DRTE, выпущенный в 1957 году, и австрийский Mailüfterl, выпущенный в 1958 году, были первыми транзисторными компьютерами в Канаде и Европе соответственно. В 1959 году Италия также выпустила свой первый транзисторный компьютер Olivetti Elea 9003 , который позже стал доступен на частном рынке.

Хотя транзисторные компьютеры появились во всем мире в 1950-х годах, они не были коммерчески доступны до 1959 года, когда General Electric выпустила General Electric 210 . Следовательно, другие производители также представили свои собственные флагманские модели транзисторных компьютеров. IBM 7070 и RCA 501 были одними из первых моделей , выпущенных, среди других. Крупномасштабные компьютеры также следовали этой тенденции. В Филко сделки модели S-1000 и S-2000 были один из первых коммерчески доступных крупномасштабных транзисторных компьютеров.

Развитие конструкции транзисторов привело к серьезным изменениям в конструкции компьютеров. Производство компьютеров на транзисторах росло со временем, поскольку технология стала доступной на рынке. В конце концов, интегральные схемы были приняты в 1960-х, уступив место третьему поколению компьютеров.

 

Маленький размер, большие изменения

Транзисторы стали выдающимися с момента их изобретения более 70 лет назад.  Эта технология подтолкнула изобретение и развитие многих других электронных устройств. Скромный размер транзистора не скрывает его вклада в развитие технологий. Транзистор, несомненно, изменил облик электронных схем и привел к значительным изменениям в мире, особенно в компьютерных технологиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Физики из России создали световой транзистор, не требующий охлаждения

https://ria.ru/20190620/1555728849.html

Физики из России создали световой транзистор, не требующий охлаждения

Физики из России создали световой транзистор, не требующий охлаждения

Ученые из «Сколтеха» и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в… РИА Новости, 03.03.2020

2019-06-20T11:36

2019-06-20T11:36

2020-03-03T14:40

россия

компьютерные технологии

компьютеры

физика

сколковский институт науки и технологий

открытия — риа наука

ibm

наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn25. img.ria.ru/images/155572/71/1555727116_0:129:3071:1856_1920x0_80_0_0_63fde02a9e8034f7c960cf8a4c368965.jpg

МОСКВА, 20 июн – РИА Новости. Ученые из «Сколтеха» и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля. Его описание и результаты первых опытов были опубликованы в журнале Nature Photonics.Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов – устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более небольших и быстрых вычислительных приборов.Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов – как сегодня считают многие физики и инженеры, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в пять нанометров, принципиально невозможно создать.Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от самой электроники и переходят на иные способы передачи сигнала – при помощи света, спинов частиц или каких-то других «носителей информации». Для перехода к «световым вычислениям» необходимо несколько важнейших ключевых технологий — световой аналог транзистора, способный избирательно пропускать или задерживать фотоны, а так же расщепитель, способный разбивать луч на две части и удалять ненужные компоненты света.Прототипы таких приборов уже существуют, однако у всех них есть большая проблема. По своим размерам они напоминают гигантские по современным меркам транзисторы 60 годов прошлого века, когда человечество делало только первые шаги в «компьютерный век». Миниатюризация подобных расщепителей и транзисторов, как показала практика, является крайне нетривиальной задачей.Антон Заседателев, Павлос Лагудакис и Антон Бараников из лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха», а также их зарубежные коллеги, сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать в тысячи раз быстрее, чем его электронные аналоги.Когда ученые начали разрабатывать световые компьютеры, они быстро столкнулись с фундаментальной проблемой – частицы света фактически не взаимодействуют между собой и их движением крайне сложно управлять. Эти сложности, как недавно выяснили российские и зарубежные физики, можно решить при помощи так называемых поляритонов. Они представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, в роли которого обычно выступает набор из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца. В его роли выступает атом и вращающийся вокруг него электрон, который периодически поглощает и испускает квант света.Эти квазичастицы, как показали первые опыты с ними, можно использовать для создания транзисторов и другой управляющей логики световых компьютеров, однако у всех прототипов подобных устройств был один общий недостаток – они работали только при температурах, близких к абсолютному нулю.Физики из «Сколтеха» и их европейские коллеги решили эту проблему, научившись создавать поляритоны не в кремнии или других «классических» полупроводниках, а в их органических аналогах, сохраняющих нужные свойства и при комнатных температурах. На эту роль, как показали опыты ученых, подходит полипарафенилен (MeLPPP), недавно открытый полимерный материал, аналоги которого сегодня применяются при производстве кевлара и различных красителей. Молекулы этого вещества оказались устроены таким образом, что даже при высоких температурах внутри него возникают особые зоны, способные играть роль квантового колодца в классических поляритонах.Вставив пленку из этого полимера в своеобразный «бутерброд» из нескольких неорганических материалов, физики научились управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать частицы света, используя два разных типа лазеров. Как показали опыты с прототипом такого транзистора, он способен не только переключаться с рекордно высокой скоростью, но и усиливать световой сигнал и при этом тратить минимальное количество энергии.Используя три подобных транзистора, ученые уже собрали первые прототипы световых логических устройств, способных исполнять операции И и ИЛИ. Их успешная реализация, как считают ученые, открывает дорогу для создания компактных, быстрых и при этом очень экономных световых компьютеров.

https://ria.ru/20161027/1480116869.html

https://ria.ru/20161121/1481779129.html

https://ria.ru/20170905/1501783020.html

россия

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn21.img.ria.ru/images/155572/71/1555727116_237:0:2966:2047_1920x0_80_0_0_a569a9f51b6a3695bbe3a0ae32168672.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

россия, компьютерные технологии, компьютеры, физика, сколковский институт науки и технологий, открытия — риа наука, ibm

МОСКВА, 20 июн – РИА Новости. Ученые из «Сколтеха» и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля. Его описание и результаты первых опытов были опубликованы в журнале Nature Photonics.

«Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой члены нашей группы трудились днем и ночью. Думаю, фотонные процессоры, работающие со скоростью света, станут для нас такой же реальностью, какой сегодня для нас является оптическая связь», — заявили российские ученые, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов – устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более небольших и быстрых вычислительных приборов.

Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов – как сегодня считают многие физики и инженеры, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в пять нанометров, принципиально невозможно создать.

27 октября 2016, 13:26НаукаФизики из России превратили квантовый бит в «светофор» для светаУченые из МФТИ и зарубежных институтов превратили кубит, элементарную ячейку квантового компьютера, в своеобразный «светофор» для частиц света, что позволило им создать очень надежный излучатель одиночных фотонов.

Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от самой электроники и переходят на иные способы передачи сигнала – при помощи света, спинов частиц или каких-то других «носителей информации».

Для перехода к «световым вычислениям» необходимо несколько важнейших ключевых технологий — световой аналог транзистора, способный избирательно пропускать или задерживать фотоны, а так же расщепитель, способный разбивать луч на две части и удалять ненужные компоненты света.

Прототипы таких приборов уже существуют, однако у всех них есть большая проблема. По своим размерам они напоминают гигантские по современным меркам транзисторы 60 годов прошлого века, когда человечество делало только первые шаги в «компьютерный век». Миниатюризация подобных расщепителей и транзисторов, как показала практика, является крайне нетривиальной задачей.

Антон Заседателев, Павлос Лагудакис и Антон Бараников из лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха», а также их зарубежные коллеги, сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать в тысячи раз быстрее, чем его электронные аналоги.

Когда ученые начали разрабатывать световые компьютеры, они быстро столкнулись с фундаментальной проблемой – частицы света фактически не взаимодействуют между собой и их движением крайне сложно управлять.

Эти сложности, как недавно выяснили российские и зарубежные физики, можно решить при помощи так называемых поляритонов. Они представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.

21 ноября 2016, 11:07НаукаУченые выяснили, как передавать сигнал бесконечно в световых компьютерахРоссийские физики решили одну из главных проблем на пути создания световых компьютеров, заставив свет путешествовать почти без потерь между различными компонентами этих вычислительных устройств будущего.

Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, в роли которого обычно выступает набор из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца. В его роли выступает атом и вращающийся вокруг него электрон, который периодически поглощает и испускает квант света.

Эти квазичастицы, как показали первые опыты с ними, можно использовать для создания транзисторов и другой управляющей логики световых компьютеров, однако у всех прототипов подобных устройств был один общий недостаток – они работали только при температурах, близких к абсолютному нулю.

Физики из «Сколтеха» и их европейские коллеги решили эту проблему, научившись создавать поляритоны не в кремнии или других «классических» полупроводниках, а в их органических аналогах, сохраняющих нужные свойства и при комнатных температурах.

На эту роль, как показали опыты ученых, подходит полипарафенилен (MeLPPP), недавно открытый полимерный материал, аналоги которого сегодня применяются при производстве кевлара и различных красителей. Молекулы этого вещества оказались устроены таким образом, что даже при высоких температурах внутри него возникают особые зоны, способные играть роль квантового колодца в классических поляритонах.

Вставив пленку из этого полимера в своеобразный «бутерброд» из нескольких неорганических материалов, физики научились управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать частицы света, используя два разных типа лазеров. Как показали опыты с прототипом такого транзистора, он способен не только переключаться с рекордно высокой скоростью, но и усиливать световой сигнал и при этом тратить минимальное количество энергии.

Используя три подобных транзистора, ученые уже собрали первые прототипы световых логических устройств, способных исполнять операции И и ИЛИ. Их успешная реализация, как считают ученые, открывает дорогу для создания компактных, быстрых и при этом очень экономных световых компьютеров.

5 сентября 2017, 12:04НаукаРоссийские физики создали нанолазер для светового компьютера будущего

Музей компьютеров Транзисторы

Спасибо Юрию (Yl2cp)
Изготовлен в 1958 году

К сожалению, мировая слава первооткрывателя не всегда достается тем, кто действительно был первым. Это в полной мере можно отнести
к гениальному советскому физику Вадиму Евгеньевичу Лашкареву (1903-1974). Он должен был бы получить Нобелевскую премию по физике за
открытие транзистора. Изобретение транзистора, компактного, легкого и надежного, открыло перед миром новые возможности. Транзистор
позволил отказаться от капризных и громоздких электронных ламп, что позволило сделать электронную технику небольшой по размерам и более надежной.

Еще в 1941 г. В.Е. Лашкарев опубликовал статьи, в которых описал основные принципы работы транзистора. Вадим Евгеньевич раскрыл механизмы, на основе которых и доныне действуют все транзисторы. Сделал он это значительно раньше, чем кто-либо в мире. Первые сообщения в американской печати о появлении транзистора появилась в июле в 1948 г. – через 7 лет после статьи В.Е. Лашкарева. Однако слава не нашла своего героя. Давала о себе знать милитаризованность страны. Все данные его исследования в СССР были засекречены. Это не давало возможности ученому заявить о своих правах на патент и прославить нашу бывшую великую и единую страну (СССР). В 1956 г. американские ученые Джон Бардин, Вильям Шокли, Уотер Браттейн были отмечены нобелевской премией за открытие транзистора.

http://www.icfcst.kiev.ua/MUSEUM/Lashkarev_r.html

Выпущен в 1974 году

Спасибо Игорю

Выпущен в 1965 г.

Усилительные высокочастотные маломощные транзисторы П 403, это германиевые диффузионно-сплавные р-п-р типа. Предназначались для применения в усилительных и генераторных каскадах коротких и ультракоротких волн, а также в импульсных схемах радиоэлектронных устройств. Выпускались транзисторы в металло-стеклянном корпусе с гибкими выводами.
Обозначение типа приводится на боковой поверхности корпуса. Вывод эмиттера на ободке корпуса маркируется цветной меткой.
Масса транзистора не более 2,2 г.

Выпущен в 1969 г.

Маломощные транзисторы МП 26Б , это германиевые биполярные низкочастотные p-n-p транзисторы. Предназначались для применения в усилителях, генераторах и переключающих схемах.
Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами .
Масса транзистора не болев 2 г.

Выпущен в 1969 г.

Транзистор ГТ 905А это p-n-p транзистор большой мощности (Рк.макс > 1,5 Вт) и высокой частоты (fгр > 300 МГц). Применяется в переключающих и импульсных устройствах. Корпус металлический, герметичный, с жёсткими  выводами.
Масса транзистора не более 4,5 г.

Выпущен в1991 г.

Выпущен в 1985 г.

Выпущен в 1982 г.

Выпущен в 1980 г.

Выпущен в 1986 г.

Ученые показали первый однофотонный транзистор для квантовых вычислений

Исследователи из Университета Мэриленда и Объединенного Квантового Института продемонстрировали первый однофотонный транзистор с использованием полупроводниковой микросхемы. Согласно докладу, опубликованному в журнале Science, их разработка настолько мала, что в крупице соли может поместиться примерно один миллион таких устройств.

Подробнее о новом транзисторе

По словам ученых, для использования однофотонных транзисторов необходимо создать квантовые затворы между фотонами. ПО, работающее на квантовом компьютере, будет выполнять ряд таких коммуникационных задач, увеличивая скорость некоторых вычислительных задач экспоненциально.

Само устройство представляет собой полупроводниковый чип, пронизанный отверстиями наподобие пчелиной соты. Свет, который попадает внутрь микросхемы, отражается от специально расположенных отверстий и остается в ней. Внутри области чипа с наибольшей интенсивностью света находится кристалл — так называемая квантовая точка.

Эта точка работает подобно традиционной компьютерной памяти и сохраняет информацию о вошедших фотонах. Она способна эффективно оперировать с памятью и служит связующим звеном между фотонами — каждый фотон воздействует на следующий вошедший.

Один из руководителей исследования утверждает, что взаимодействие с каждым фотонным кубитом позволяет единственному фотону изменять целый поток следующих за ним частиц. Это является необходимым свойством для придания устройству статуса транзистора.

Тестирование устройства

Для проверки работоспособности чипа разработчики провели эксперимент: микросхему облучали слабым световым лучом, содержащим один фотон, который едва уловим при обычных условиях. Однако, в транзисторе этот фотон задержался на достаточное время для его регистрации квантовой точкой.

Ученые обнаружили, что фотон, контактирующий с точкой, может служить ключом для другого фотона и управлять его прохождением, «открывая дверь» в чип. С другой стороны, луч, не содержащий фотонов, блокирует прохождение других световых частиц в микросхеме.

Планы на будущее

Ученые сообщают, что планируют связать несколько фотонных транзисторов вместе для дальнейшего создания более компактных квантовых компьютеров, которые будут обрабатывать множество фотонных кубитов.

Не только университеты, но и компании стремятся создать более быстрые и компактные компьютеры для квантовых вычислений. Intel, к примеру, тестирует собственный квантовый чип, основанный на «спиновых кубитах».

Источник: ScienceDaily

Транзистор

Предисловие

Изобретение транзистора около 60 лет назад стало важнейшим фактором, стимулировавшим внедрение многих инноваций и развитие новых технологий. Именно транзистор — крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю, и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации обеспечил феноменальный триумф компьютеров.

Если бы не он, ваш компьютер был бы грудой металлолома размером с трехэтажный дом, а ноутбуки можно было бы увидеть только в фантастических сериалах. Телевизоры все еще работали бы на электронных лампах, а мобильные телефоны еще носились бы за спиной как полевые рации. Без лишней скромности можно сказать, что это изобретение изменило мир. С чего же все начиналось?

Изобретение транзистора

Официальной датой появления на свет первого транзистора считается 23 декабря (по Другим данным — 16 декабря) 1947 года. Авторами этого замечательного изобретения стали сотрудники научно-исследовательского центра Bell Labs американские физики Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain). Правда, первоначально ученая общественность встретила это изобретение достаточно прохладно, но уже в 1956 году все три американца были удостоены Нобелевской премии в области физики. Ну, а само название — «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John R. Pierce). В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев.
Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор). Транзистор, по существу, делает то же, что и обычный выключатель: включает и выключает ток. Положение «включено» для транзистора означает «1», положение выключено — «0». Огромное количество транзисторов интегральной микросхемы генерирует единицы и нули, которые складываются в понятный компьютеру бинарный код, который компьютер использует в процессе вычислений, обработки текста, воспроизведения фильмов и аудио. Современные транзисторы могут включаться-выключаться 300 миллиардов раз в секунду.
Прежде, чем появился транзистор, его роль выполняла вакуумная трубка. Когда она гасла, это означало «0», когда включалась – «1».
Технология была малоэффективной, для того, чтобы выполнить простейшее математическое действие, требовалось множество таких трубок. Очень быстро транзистор позволил полностью отказаться от использования вакуумных трубок.

Быстрое распространение

Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели двадцать шесть компаний. Однако, для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным, благодаря транзисторным радиоприемникам. Первая модель такого устройства, Одержавшая аж четыре транзистора, была представлена в октябре 1954 года. Этим сразу воспользовалась молодежь, получившая возможность вырваться из-под родительской опеки и самоутвердиться с помощью новой субкультуры.
Так, портативное радио стимулировало новую революцию и в музыке — в эфире повсеместно зазвучал рок-н-ролл! С появлением портативного радиоприемника радиоманы обрели возможность слушать музыку и получать информацию в любом месте. Подобно транзисторному радиоприемнику, транзисторы начали вытеснять громоздкие и хрупкие лампы с невероятной скоростью.

Интегральная микросхема

К концу 50-х годов транзистор «обосновался» в радиоприемниках, телефонах и ЭВМ, и хотя его размеры были намного меньше, чем у электронных ламп, для создания нового поколения электронных устройств этого было явно недостаточно. Чтобы реализовать огромный вычислительный потенциал транзисторов, приспособить их для массового производства и снизить стоимость, потребовалось еще одно важное изобретение. В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему.
Это был гигантский шаг вперед — ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную. У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса.

«Закон Мура»

Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант «Inter, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону, число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь, обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого раз мера, оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.
Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4-преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 320 миллионов транзисторов.

Существует ли предел?

Закону Мура постоянно предсказывают кончину. Бесконечный рост числа транзисторов в микросхеме невозможен — и все-таки производителям процессоров до сих пор удается обходить ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум лет 10-15, но затем могут возникнуть новые фундаментальные барьеры на пути его реализации. Так или иначе, но этот самый известный закон компьютерного мира XX века ждали трудные времена. Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (Si02), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен.
С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким — пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом. По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество тепла.

Преодоление фундаментального предела: гафний вместо кремния

Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура — цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли исчезнуть навсегда!
Чтобы найти выход из кризиса, нужно было увеличить толщину изолирующего слоя, но изготавливать этот более толстый слой из другого материала с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k) для сохранения характера взаимодействия затвора и канала. В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Сам Гордон Мур назвал это крупное достижение «самым важным изменением транзисторных технологий с конца шестидесятых годов». Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора — с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.

Что мы имеем на сегодня?

12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии — Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла — теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге, новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.
Повышение вычислительной мощности, являющееся следствием закона Мура, позволяет человечеству эффективнее просчитывать пути разрешения важнейших стоящих перед ним проблем: вменение климата, наследственные болезни, тайны генетики и др. Современные пути и темпы решения подобных проблем еще пять лет назад трудно было себе даже представить. Новые приложения помогают изменить нашу жизнь и сделать ее еще более безопасной… Исследователи не думают, что в ближайшем будущем появится технология, которая сможет соперничать со стариной транзистором.
Вице-президент Intel Уилл Своуп считает транзистор величайшим изобретением человечества (интересно, была бы у него работа, если бы не этот кусочек металла). Он сказал, что раньше за один раз получалось делать один транзистор. Сейчас за один раз делается один миллиард. Он прошел путь от лабораторного экземпляра, работающего в одиночку, до устройства, способного связываться с 800 миллионами таких же, и все они могут уместиться на 10-копеечной монете. В Intel верят, что с помощью транзисторов в любом сотовом телефоне появится устный переводчик, который в реальном времени будет переводить голос вашего друга из Китая, Индии, или любой другой страны на ваш родной язык. Нет ни одного устройства в мире, которое за этот срок настолько бы усовершенствовалось. Ни одно устройство в мире не развивалось с такой скоростью!

 

Количество транзисторов в процессоре:

 

  • Intel® 4004 (1971 г) — 2300
  • Intel® 8086 (1978 г) – 29 000
  • Intel® 486 (1989 г) – 1 200 000
  • Intel® Pentium® 111 (1999 г) – 9 500 000
  • Intel® Pentium® 4 (2000 г) – 42 000 000
  • Intel® Core™ 2 Duo (2007 r) – 410 000 000:
  • Intel® Penryn (2007 r) — 820 000 000

Процессоры и производственная технология (техпроцесс):

 

  • 1993 г: Intel® Pentium® — 800 нм
  • 1999 г: Intel® | Pentium® III -250 нм
  • 2002 г: Intel® Pentium® 4 — 130 нм
  • 2005 г: Intel® Pentium® D — 90 нм
  • 2006 г. Intel® Core™ 2 Duo — 65 нм
  • 2007 г. Intel® Core™ 2 Duo-45 нм

А. Оселедько

 

Определение транзистора | PCMag

В аналоговом мире непрерывно меняющихся сигналов транзистор — это устройство, используемое для усиления входного электрического сигнала. В цифровом мире транзистор — это двоичный ключ и фундаментальный строительный блок компьютерной схемы. Подобно выключателю на стене, транзистор либо предотвращает, либо пропускает ток. Один современный ЦП может иметь сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов.

Изготовлен из полупроводникового материала
Активная часть транзистора сделана из кремния или другого полупроводникового материала, который может изменять свое электрическое состояние при импульсном воздействии.В нормальном состоянии материал может быть непроводящим или проводящим, препятствуя протеканию тока или пропуская его. Когда на затвор подается напряжение, транзистор меняет свое состояние. Чтобы узнать больше о транзисторе, см. Понятие транзистора и микросхему. См. Активную область, фототранзистор и High-K / Metal Gate.

От транзисторов к системам


Транзисторы соединены схемами, составляющими логические вентили. Гейты составляют схемы, а схемы составляют электронные системы (подробности см. В разделе Булевская логика и Булевы вентили).

Концептуальный вид транзистора

В цифровой схеме транзистор представляет собой двухпозиционный переключатель, который является проводящим при подаче электрического импульса. Транзисторы также используются как усилители, передавая низкое напряжение на базе высокому напряжению на коллекторе. Таким образом в усилителях звука используются транзисторы.

Создание транзистора

Посредством нескольких этапов маскирования, травления и диффузии создаются подслои на кристалле.На заключительном этапе располагается верхний металлический слой (обычно алюминий), который соединяет транзисторы друг с другом и с внешним миром.


В одном и том же микросхеме в то же время. Такая пластина диаметром 300 мм может содержать сотни и тысячи кристаллов (чипов), что означает одновременное изготовление миллиардов и триллионов транзисторов.Смотри вафлю. (Изображение любезно предоставлено корпорацией Intel.)

Первый кремниевый транзистор


В 1954 году компания Texas Instruments первой начала производство дискретных транзисторов в промышленных масштабах. Сегодня это пространство размером примерно четверть дюйма может вместить триллионы транзисторов. См. Концепцию транзистора. (Изображение любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.)

IBM «Solid Logic»


Вместо одного транзистора в корпусе передовые инженерные разработки IBM разместили три транзистора на одном модуле для своего семейства System / 360 в 1964 году . При снятой крышке все трое хорошо видны. См. Активную область. (Изображение любезно предоставлено IBM.)

Транзисторы и компьютерный век

Когда массовое производство транзисторных слуховых аппаратов и радиоприемников 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 более чем 17 000 электронных ламп.Было очевидно, что транзисторы полностью изменят вычислительную технику и приведут к уменьшению размеров машин.

Германиевые транзисторы

, безусловно, положили начало компьютерной эре, но кремниевые транзисторы произвели революцию в компьютерном дизайне и породили целую индустрию в Калифорнии, метко названной Силиконовой долиной.

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

Кремниевые транзисторы

прекрасно подходят для компьютерного производства. Благодаря разумной инженерии транзисторы помогли компьютерам выполнить 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. Один компьютерный чип может иметь миллионы транзисторов, которые постоянно переключаются, что помогает 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 многие транзисторы работают согласованно, чтобы помочь компьютеру выполнять вычисления. Интегральная схема — это кусок полупроводникового материала, на котором установлены транзисторы и другие электронные компоненты.

Компьютеры используют эти токи в тандеме с булевой алгеброй для принятия простых решений. Имея множество транзисторов, компьютер может очень быстро принимать множество простых решений и, следовательно, очень быстро выполнять сложные вычисления.

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

Что такое транзистор? — Определение с сайта WhatIs.com

От

Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток.

Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала. Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуинтузиазмом». Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, намотанным на провода).

Особые свойства полупроводниковому материалу придает химический процесс, называемый легированием .Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дыры» в кристаллической структуре материала (который затем называется P-типа. , потому что это приводит к увеличению количества носителей положительного заряда). Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду. В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа).Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует питания.

Транзисторы — это основные элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, соединенных между собой схемами и запеченных в едином кремниевом микрочипе.

Последнее обновление: октябрь 2015 г.

Продолжить чтение о транзисторе

Что делает «транзистор» в компьютере?

Одним из полупроводниковых устройств, встроенных почти во все электронные устройства, такие как телевизоры, мобильные телефоны и ПК, является «транзистор A ».Хотя я слышал об этом названии, на самом деле не всем известно, какую роль транзистор играет в электронном оборудовании, и даже если я читаю Википедию о транзисторах, это слишком профессионально, чтобы понять это. Должны быть и люди. Выпущен фильм, в простой для понимания манере, что транзистор делает с электронным устройством « Как работают транзисторы ».

Как работают транзисторы — Гокул Дж. Кришнан — YouTube

Современные компьютеры эволюционировали настолько, насколько они могут изменить нашу жизнь.

Это результат многих инноваций, рожденных с течением времени.

То, что можно назвать основой многих инноваций, называется транзистором.

Все компьютеры — это «машины, выполняющие математические операции». Старый инструмент, который ведет себя как компьютер, например счеты, представляет собой устройство, которое вручную выполняет математические операции. Введите число физически, и счет будет отображать введенное число по-своему.

Современный компьютер, так называемый ПК, работает по тому же принципу, но ПК выражает введенное число напряжением.

Большинство ПК имеют « булевую логику» Исходя из теории, что.

Логическая логика имеет два логических условия «истина» и «ложь» …

Оба они представлены двоичными числами «1» и « 0 «.

Также» 1 «и» 0 «представлены наличием или отсутствием напряжения.

Логическое вычисление» 1 «или» 0 «, выраженных положительным или отрицательным значением этого напряжения Логическая схема It

Эта логическая схема выполняет логическую операцию и выводит на компьютер «1» или «0».

Логическая схема — « Логическое И » OR Выполняются три основных логических вычисления «отрицания».

Например, логическое произведение, иногда называемое операцией И, ограничивается только в том случае, если два входных значения имеют «высокое напряжение», то есть «1» …

«1» выводится.

Логические операции, такие как логическая сумма и отрицание, вводятся и выводятся с помощью одного и того же механизма.

Для выполнения сложных операций, таких как сложение и вычитание, несколько логических схем могут быть объединены.

Компьютерные программы состоят из инструкций для электрического выполнения этих логических операций.

Для того, чтобы программа выполняла логическую операцию, необходимо устройство, которое подает точное напряжение на входы «1» и «0».

Это первый компьютер (электронный компьютер), разработанный в Соединенных Штатах. ENIAC

«Вакуумная трубка» использовалась как устройство, дающее точное напряжение.

Однако ENIAC такой же большой, как теннисный корт, это неожиданно большой компьютер с весом 30 тонн, и говорят, что вакуумные лампы, которые нуждаются в нагреве, — это устройства, которые не могут поддерживать работу ENIAC Thing. .

Вакуумированные трубы ломаются одна за другой в ходе ежедневного испытания ENIAC ……

Даже при обследовании всего за один час обычный дом потребляет примерно в 15 раз больше электроэнергии, чем потребляется в день.

Транзистор появился от имени вакуумной лампы.

Среди транзисторов, транзисторы типа NPN могут быть изготовлены из кремния в качестве материала и могут иметь отрицательный потенциал, как электронная лампа.

Часть, где эмиттер (левая) область и база (средняя часть) контактируют друг с другом, а часть, где база и коллектор (справа) контактируют друг с другом, это « Pn переход Это называется» электричеством, если напряжение достигает определенного значения и не пропускает электричество при низком напряжении. Короче говоря, транзистор похож на переключатель для передачи электричества, проще говоря, можно передавать напряжение на компьютер более точно, чем на вакуумную лампу.

Транзисторы не требуют нагрева, как электронные лампы, поэтому они очень эффективны, компактны и долговечны.

Интегральные схемы (ИС) используются в современных компьютерах, и каждую секунду выполняются бесчисленные логические операции, но транзисторы играют роль переключателей для обработки операций и управления током. Это похоже на существование невидимых ободов.

Инженеры

разработали транзистор, который скрывает ключевое оборудование компьютерных микросхем от хакеров

Хакер может воспроизвести схему на микросхеме, обнаружив, что ключевые транзисторы делают в схеме, но не в том случае, если «тип» транзистора не определяется.

Университет Пердью фото / Джон Андервуд

Инженеры Университета Пердью продемонстрировали способ скрыть, какой транзистор является каким, построив их из листового материала, называемого черным фосфором. Эта встроенная мера безопасности не позволит хакерам получить достаточно информации о схеме для ее обратного проектирования.

Микросхемы обратного инжиниринга

— обычная практика как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения прав интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают методы получения рентгеновских изображений, которые не потребовали бы фактического прикосновения к чипу для его реконструирования.

Подход, продемонстрированный исследователями Purdue, повысит безопасность на более фундаментальном уровне.От того, как производители микросхем решат сделать эту конструкцию транзистора совместимой со своими процессами, будет зависеть доступность этого уровня безопасности.

Как обмануть хакера?

Микросхема выполняет вычисления, используя миллионы транзисторов в цепи. При подаче напряжения два разных типа транзисторов — тип N и тип P — выполняют вычисления. Репликация микросхемы начнется с идентификации этих транзисторов.

«Эти два типа транзисторов являются ключевыми, поскольку они выполняют разные функции в схеме.Они лежат в основе всего, что происходит на всех наших микросхемах », — сказали Йорг Аппенцеллер, Барри М. из Purdue и профессор электротехники и вычислительной техники Патриция Л. Эпштейн.

«Но поскольку они совершенно разные, правильные инструменты могут четко их идентифицировать, позволяя вернуться назад, выяснить, что делает каждый отдельный компонент схемы, а затем воспроизвести микросхему».

Если бы эти два типа транзисторов оказались идентичными при проверке, хакер не смог бы воспроизвести микросхему путем обратного проектирования схемы.

Группа

Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем изготовления их из такого материала, как черный фосфор, делает невозможным определение того, какой транзистор какой. Когда напряжение переключает тип транзисторов, они кажутся хакеру совершенно одинаковыми.

Встраивание ключа безопасности в транзисторы

Хотя маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители микросхем, она обычно выполняется на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов, оставляя микросхему потенциально уязвимой для методов обратного инжиниринга с использованием подходящих инструментов.

Метод маскировки, который продемонстрировала команда Аппенцеллера, заключался в встраивании ключа безопасности в транзисторы.

«Наш подход сделает транзисторы типа N и P одинаковыми на фундаментальном уровне. «Невозможно отличить их, не зная ключа», — сказал Пэн Ву, доктор философии Purdue. студент кафедры электротехники и вычислительной техники, построивший и испытавший прототип микросхемы с транзисторами на основе черного фосфора в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий Пердью.

Даже производитель микросхемы не сможет извлечь этот ключ после изготовления микросхемы.

«Вы можете украсть чип, но у вас не будет ключа», — сказал Аппенцеллер.

Современные методы маскировки всегда требуют большего количества транзисторов, чтобы скрыть то, что происходит в цепи. Но для того, чтобы скрыть тип транзистора с помощью такого материала, как черный фосфор — материала толщиной с атом — требуется меньше транзисторов, занимая меньше места и энергии в дополнение к созданию лучшей маскировки, говорят исследователи.

Идея скрыть тип транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально возникла из теории профессора Университета Нотр-Дам Шарон Ху и ее сотрудников.

Что отличает транзисторы типа N и P?

Как правило, транзисторы типа N и P выделяются тем, как они пропускают ток. Транзисторы N-типа переносят ток, транспортируя электроны, в то время как транзисторы P-типа используют отсутствие электронов, называемых дырками.

Группа Аппенцеллера поняла, что черный фосфор настолько тонок, что он может обеспечить перенос электронов и дырок на аналогичном уровне тока, что делает два типа транзисторов в основном одинаковыми согласно предложению Ху.

Затем группа

Аппенцеллера экспериментально продемонстрировала маскирующую способность транзисторов на основе черного фосфора. Эти транзисторы, как известно, работают при низких напряжениях компьютерных микросхем при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для переноса электронов, описываемой как небольшая «запрещенная зона».

Но, несмотря на преимущества черного фосфора, промышленность по производству микросхем, скорее всего, будет использовать другой материал для достижения этого маскирующего эффекта.

«Промышленность начинает рассматривать ультратонкие 2D-материалы, потому что они позволят разместить больше транзисторов на кристалле, что сделает их более мощными.Черный фосфор слишком летуч, чтобы быть совместимым с современными технологиями обработки, но экспериментальная демонстрация того, как может работать 2D-материал, является шагом к пониманию того, как реализовать эту меру безопасности », — сказал Аппенцеллер.

Изобретение транзистора — CHM Revolution

Изобретение транзистора

Ученые 20-х годов прошлого века предложили строить усилители из полупроводников. Но они недостаточно хорошо разбирались в материалах, чтобы это сделать.В 1939 году Уильям Шокли из Bell Labs компании AT&T возродил эту идею как способ замены электронных ламп.

Под руководством Шокли Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали в 1947 году первый полупроводниковый усилитель: точечный транзистор с двумя металлическими точками, контактирующими с полоской германия. В 1948 году Шокли изобрел более прочный переходной транзистор, построенный в 1951 году.

Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои изобретения.

Как работал транзистор Бардина и Браттейна

Транзистор Бардина и Браттейна состоял из полоски германия с двумя близко расположенными золотыми точечными контактами, удерживаемыми пластиковым клином.Они выбрали материал германия, который был обработан так, чтобы он содержал избыток электронов, названный N-типом. Когда они заставляли электрический ток течь через один контакт (называемый эмиттером), он вызывал дефицит электронов в тонком слое (локально изменяя его на P-тип) около поверхности германия. Это изменило количество тока, который мог протекать через контакт коллектора. Небольшое изменение тока через эмиттер вызвало большее изменение тока коллектора. Они создали усилитель тока.

Транзисторы взлетают

Компания AT&T, которая изобрела транзистор, лицензировала технологию в 1952 году. Она надеялась извлечь выгоду из других усовершенствований.

Транзисторы быстро покинули лабораторию и вышли на рынок. Хотя они и дороже электронных ламп, они были идеальными, когда важна портативность и работа от батарей. Слуховой аппарат Sonotone 1952 года стал первым в Америке потребительским товаром на транзисторах. AT&T также использовала транзисторные усилители в своей системе междугородной телефонной связи.Вскоре они появились как переключатели, начиная с экспериментального компьютера в Манчестерском университете в 1953 году.

По мере того, как цены падали, количество потребителей увеличивалось. К 1960 году большинство новых компьютеров были транзисторными.

Полупроводниковый транзистор — История создания полупроводникового транзистора


Современный электронный транзистор — это полупроводниковое устройство, обычно используемое для усиления или переключения электронных сигналов. Транзистор сделан из цельного куска полупроводникового материала, по крайней мере, с тремя выводами для подключения к внешней цепи. Напряжение или ток, приложенные к одной паре выводов транзистора, изменяют ток, протекающий через другую пару выводов. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть намного больше управляющей (входной) мощности, транзистор обеспечивает усиление сигнала. Транзистор является основным строительным блоком современных электронных устройств и используется в радио, телефонах, компьютерах и других электронных системах. Некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но большинство из них находится в интегральных схемах.

Как это часто бывает со многими изобретениями, транзистор — результат работы многих изобретателей, и только последний или самый умный получает всю славу. В данном случае это были американцы Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, получившие Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора, который был назван самым важным изобретением ХХ века

А кто был первым?

Начало исследований полупроводников ознаменовано отчетом Майкла Фарадея 1833 года об отрицательном температурном коэффициенте сопротивления сульфида серебра. Это первое наблюдение любого свойства полупроводника. В своей статье 1833 года «Экспериментальные исследования электричества» Фарадей (см. Портрет рядом) раскрыл это наблюдение. Это наблюдение отличалось от обычных свойств металлов и электролитов, сопротивление которых возрастает с температурой.

Следующим важным исследователем в области полупроводников является французский физик-экспериментатор Эдмон Беккерель. В 1839 году он сообщил о наблюдении фотоэдс в платиновых электродах, покрытых хлоридом серебра.В его эксперименте платиновый электрод, покрытый AgCl, был погружен в водный раствор азотно-кислотного электролита. Освещение электрода генерировало фотоэдс, которое изменяло ЭДС, создаваемую ячейкой, фактически оно создавало восстановительный (катодный) фототок на электроде, покрытом AgCl; это было первое зарегистрированное фотоэлектрическое устройство. Фотоэдс создавалось на контакте металл-полупроводник Ag / AgCl.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828–1891) (см. Портрет рядом) открыл фотопроводимость селена.Первоначально он работал с подводными кабелями. Он начал эксперименты с селеном из-за его высокого сопротивления, что оказалось подходящим для его подводной телеграфии. Различные экспериментаторы измеряли сопротивление селеновых стержней, но сопротивление, измеренное ими в различных условиях, совершенно не согласовывалось. Затем Смит обнаружил, что сопротивление фактически зависит от интенсивности падающего света. Когда селеновые стержни помещали в коробку с закрытой сдвижной крышкой, сопротивление было наибольшим.Когда на пути света помещались стекла разных цветов, сопротивление варьировалось в зависимости от количества света, проходящего через стекло. Но при снятии крышки проводимость увеличилась. Он также обнаружил, что эффект не был вызван изменением температуры.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун (см. Портрет рядом), 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество, в Вюрцбургском университете. Когда он исследовал кристалл галенита (сульфида свинца) острием тонкой металлической проволоки, Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении. Он обнаружил эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.
Браун продемонстрировал это полупроводниковое устройство аудитории в Лейпциге 14 ноября 1876 года, но оно не нашло полезного применения до появления радио в начале 1900-х годов, когда оно использовалось в качестве детектора сигнала в наборе «кристаллического радио».Общепринятое описательное название «детектор кошачьих усов» происходит от тонкого металлического зонда, используемого для электрического контакта с поверхностью кристалла. Браун больше известен разработкой осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) в 1897 году, известной как «трубка Брауна» ( Braunsche Röhre на немецком языке). Он разделил Нобелевскую премию 1909 года с Гульельмо Маркони за его вклад в развитие беспроводной телеграфии , в основном за разработку настраиваемых схем для радиоприемников.

Первым человеком, применившим полупроводники в практических целях, был бенгальский эрудит сэр Джагадиш Чандра Бозе (1858-1937). Джагадиш Чандра Бос (см. Портрет рядом) был гениальным физиком, биологом, ботаником, археологом и писателем-фантастом. Для приема излучения он использовал множество различных металлических полупроводниковых переходов, последовательно подключенных к высокочувствительному гальванометру. Он изобрел несколько полупроводниковых устройств, первым из которых был его детектор Galena , который он изобрел некоторое время в течение 1894-1898 годов и продемонстрировал в дискурсе Королевского института в 1900 году.В этом устройстве пара точечных контактов (кошачьи усы), в данном случае галенита, была подключена последовательно к источнику напряжения и гальванометру. Это устройство могло обнаруживать любое излучение, волн Герца, световые волны и другое излучение . Он назвал свой точечный контактный детектор галенита «искусственной сетчаткой» (потому что при соответствующем расположении он мог бы обнаруживать только световые волны) универсальным радиометром. Позже Bose получил первый в мире патент на полупроводниковое устройство, а именно на детектор Galena .Среди других его новаторских твердотельных полупроводниковых приемников — спиральный пружинный когерер и железо-ртутный железный когерер (детектор) с телефоном.

Между 1902 и 1906 годами инженер-электрик American Telephone and Telegraph Гринлиф Уиттиер Пикард (1877-1956) (см. Портрет рядом) испытал тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректификационные свойства. Кристаллы кремния от Westinghouse дали одни из лучших результатов. 20 августа 1906 года он подал U.Патент С. на «Средство для получения интеллектуальной связи с помощью электрических волн» на кремниевый точечный детектор (диод) был присужден в ноябре того же года (см. Патент США 836531 Пикард). Вместе с двумя партнерами Пикард основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристаллических радиодетекторов «кошачьих усов». Вероятно, это была первая компания, которая производила и продавала кремниевые полупроводниковые устройства. Другой американский изобретатель Генри Данвуди получил патент на систему с точечным детектором из карборунда (карбида кремния) всего через несколько недель после Пикарда.

В 1915 году американский физик Мэнсон Бенедикс обнаружил, что кристалл германия можно использовать для преобразования переменного (переменного тока) тока в постоянный (постоянный ток), то есть выпрямляющих свойств кристаллов германия. Таким образом, германий был добавлен в список полупроводников. До этого это был небольшой список, состоящий из кремния, селена и теллура.

В 1927 году американцы Л.О. Грондал и П. Гейгер изобрел выпрямитель из оксида меди. Патент США 1640335 был выдан 23 августа 1927 года Грондалу.

В 1925 году знаменитый изобретатель Юлиус Лилиенфельд (см. Фото рядом) подал заявку на патент в Канаде, а в следующем году в США, описывая устройство, очень похожее на транзистор MESFET, которое он тогда назвал Метод и устройство для управления электрическими токами. (см. Патент США 1745175 Lilienfeld).
Юлиус Эдгар Лилиенфельд (1882–1963) был выдающимся человеком в области физики и электроники. Австрийский еврей Лилиенфельд родился в Лемберге в Австро-Венгрии (ныне Львов в Украине).Он получил образование (доктор физико-математических наук) и прожил в Германии до середины 1920-х годов, когда решил эмигрировать в США. Помимо вышеупомянутого патента на первый транзистор, он был держателем нескольких других патентов в этой области — патента США 18 «Устройство для управления электрическим током» от 1928 года на тонкопленочный MOSFET-транзистор; Патент США 1877140 «Усилитель электрических токов» от 1928 г. на твердотельное устройство, в котором ток регулируется пористым металлическим слоем, твердотельный вариант вакуумной лампы; Патент США 2013564 «Электролитический конденсатор» от 1931 года на первый электролитический конденсатор.Когда Браттейн, Бардин и Шокли пытались получить патент на свой транзистор, большинство их требований было отклонено именно из-за патентов Лилиенфельда.

В 1934 году другой немецкий ученый — Оскар Хайль (1908–1994), инженер-электрик и изобретатель, подал заявку на получение в Германии патента на раннее транзисторное устройство, описывающее возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрического поля, которое он позвонил по номеру «Усовершенствования в электрических усилителях и других устройствах и устройствах управления» или «».В 1935 году Хайль получил британский (см. Рисунок из британского патента), бельгийский и французский патенты на свое устройство.

В 1939 году Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, исследователи из Bell Telephone Labs в Нью-Джерси, предприняли безуспешную попытку построить полупроводниковый усилитель, вставив крошечную управляющую сетку в слой оксида меди. Вторая мировая война положила конец их экспериментам. Однако в 1947 году тот же Браттейн, на этот раз вместе с Джоном Бардином, изобрел точечный транзистор (см. Фото первого транзистора, сделанного из германия). Уильяма Шокли (руководителя группы) в то время там не было, и он не получил признания за изобретение, что сильно его разозлило. Это тоже хорошо. Точечный транзистор был сложен в изготовлении и не очень надежен. Это был не тот транзистор, который хотел Шокли, поэтому он продолжил работу над своей собственной идеей, которая привела к переходному транзистору , который было проще в изготовлении и который работал лучше. Бардин и Браттейн подали заявку на патент 17 июня 1948 года, а патент был выдан 3 октября 1950 года (см. Патент).

Уильям Шокли подал заявку на свой первый патент на переходной транзистор почти в то же время — США. Патент 2569347 был подан 26 июня 1948 г. и выдан 25 сентября 1951 г. (см. Первый патент Шокли).

Джон Бардин (1908–1991), Уильям Брэдфорд Шокли (1910–1989) и Уолтер Хаузер Браттейн (1902–1987) (см. Нижнее фото) разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году «за свои исследования в области полупроводников и их открытие. транзисторного эффекта ».

Бардин (слева), Шокли (в центре) и Браттейн (справа)

Так как же работает транзистор?

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель. Это достигается за счет использования небольшого количества электричества для управления затвором при гораздо большем подаче электроэнергии, подобно повороту клапана для управления подачей воды. Транзисторы
состоят из трех частей, называемых базой , коллектором и эмиттером .Основание — это устройство управления затвором для большего источника электроэнергии. Коллектор — это более крупный источник электропитания, а эмиттер — выход для этого источника. Посылая ток различных уровней от базы, можно регулировать количество тока, протекающего через затвор от коллектора. Таким образом, очень небольшое количество тока может использоваться для управления большим током, как в усилителе. Тот же процесс используется для создания двоичного кода для цифровых процессоров, но в этом случае требуется порог напряжения в пять вольт, чтобы открыть коллекторный затвор.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.