ทรานซิสเตอร์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ หุ่นยนต์ EveR 6 เครื่องจักรต่างๆ ล้วนมีชิพเป็นมันสมองหลักและในชิพเหล่านั้นจะมี ทรานซิสเตอร์ พวกมันทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือแอมพลิฟายเออร์ในวงจรรวม (IC) หรือชิป ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายอย่างง่ายเกี่ยวกับวิธีการทำงานของทรานซิสเตอร์ภายในชิป
ประเภทของทรานซิสเตอร์ในชิป ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในชิปส่วนใหญ่มีสองประเภท
ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก (BJTs) – สิ่งเหล่านี้มีสามขั้วที่เรียกว่าตัวส่งสัญญาณ, ฐานและตัวสะสม กระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าฐานจะควบคุมการไหลของกระแสระหว่างตัวปล่อยและตัวสะสม
ทรานซิสเตอร์สนามผลโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) – สิ่งเหล่านี้ถูกใช้กันมากที่สุดในไอซีสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยี CMOS (เสริมโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) พวกเขามีเทอร์มินัลสามแห่งที่เรียกว่าแหล่งที่มา ประตู และท่อระบายน้ำ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับประตูควบคุมการไหลของกระแสจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ
ทรานซิสเตอร์ทำงานอย่างไร ?
ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายไปที่เกตของ MOSFET (หรือที่ฐานของ BJT) แรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนระหว่างขั้วต่ออีกสองขั้ว (แหล่งระบายสำหรับ MOSFET และตัวสะสมตัวปล่อยรังสีสำหรับ BJT) สำหรับ MOSFET เมื่อแรงดันเกตเกินเกณฑ์ที่กำหนด มันจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ยอมให้กระแสไหลผ่านอุปกรณ์ ต่ำกว่าเกณฑ์นั้น ทรานซิสเตอร์จะปิด และไม่มีกระแสไหล
ในการขยายสัญญาณ แรงดันไฟฟ้าอินพุตขนาดเล็กที่ฐาน (สำหรับ BJT) หรือเกต (สำหรับ MOSFET) สามารถควบคุมการไหลของกระแสที่มากขึ้นผ่านส่วนที่เหลือของทรานซิสเตอร์ สิ่งนี้ทำให้ทรานซิสเตอร์สามารถขยายสัญญาณอ่อนให้เป็นสัญญาณที่แรงกว่าได้
ทรานซิสเตอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นบนชิปซิลิคอนผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการพิมพ์หินด้วยแสง ซึ่งสามารถแกะสลักทรานซิสเตอร์หลายล้านหรือหลายพันล้านตัวลงบนชิปตัวเดียวที่มีขนาดเล็กกว่าเล็บมือได้ ทรานซิสเตอร์เหล่านี้เชื่อมต่อถึงกันเพื่อสร้างวงจร ซึ่งทำได้โดยใช้การเดินสายไฟหลายชั้นภายในชิป ชั้นฉนวนจะแยกชั้นสายไฟออก และสลักผ่านรูเพื่อให้สามารถเชื่อมต่อระหว่างชั้นต่างๆ ได้
การออกแบบวงจร ทรานซิสเตอร์เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของลอจิกเกต ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของวงจรดิจิทัล การรวมกันของเกตที่ซับซ้อนทำให้เกิดหน่วยลอจิกทางคณิตศาสตร์ หน่วยหน่วยความจำ และส่วนประกอบอื่นๆ ของไมโครโปรเซสเซอร์ เมื่อชิปซิลิคอนพร้อมทรานซิสเตอร์และวงจรทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์ จะถูกบรรจุในรูปแบบที่สามารถวางบนแผงวงจรและเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
รูปแบบของสัญญาณ ทรานซิสเตอร์
สัญญาณดิจิทัล: ในวงจรดิจิทัล ทรานซิสเตอร์ถูกใช้เพื่อสร้างสถานะไบนารี่เป็น 0 และ 1 โดย ‘0’ อาจแสดงถึงไม่มีกระแสไหล (ทรานซิสเตอร์ปิด) และ ‘1’ แสดงถึงกระแสไหล (ทรานซิสเตอร์เปิด)
สัญญาณแอนะล็อก: สำหรับการใช้งานแบบแอนะล็อก อินพุทสัญญาณที่แตกต่างกันจะถูกแปลเป็นการไหลของกระแสตามสัดส่วน ทำให้สามารถใช้งานฟังก์ชันต่างๆ เช่น การขยายสัญญาณ
ความท้าทายและนวัตกรรม
ทั่วโลกมักแข่งกันเพื่อผลิตชิบขนาดเล็กลง
เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าไป ทรานซิสเตอร์จะถูกทำให้เล็กลงเพื่อให้พอดีกับชิปมากขึ้น (กฎของมัวร์) อย่างไรก็ตาม เรากำลังถึงขีดจำกัดทางกายภาพของวิธีการสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กด้วยเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิม การบรรจุทรานซิสเตอร์นับพันล้านตัวลงในชิปขนาดเล็กจะทำให้เกิดความร้อนจำนวนมาก ดังนั้นการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพและการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำจึงถือเป็นข้อพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ
เพื่อเอาชนะขีดจำกัดเหล่านี้ นักวิจัยกำลังตรวจสอบวัสดุใหม่ เช่น กราฟีนหรือไดแชลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชัน และการออกแบบทรานซิสเตอร์ใหม่ เช่น ทรานซิสเตอร์ FinFET หรือทรานซิสเตอร์ Gate-All-Around (GAA) ทรานซิสเตอร์ในชิปทำให้เกิดการพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อน สมาร์ทโฟน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกประเภทที่เป็นแกนหลักของเทคโนโลยีสมัยใหม่