«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 03 (10)

Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И: С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты. Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ: если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ: если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В, если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А.

Рис. 2.«Водопроводная модель» операций булевой алгебры

Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора.

Электровакуумный триод

Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов — катода, анода и сетки, помещенных в корпус с откачанным воздухом (рис. 3). Через дополнительную цепь катод нагревается электрическим током до высоких температур, так что с его поверхности начинается эмиссия электронов. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положителен, а режим работы триода определяется потенциалом сетки.

Рис. 3.Электровакуумный триод

Когда на сетку подается положительный потенциал (меньший потенциала на аноде), электрическое поле разгоняет электроны в направлении сетки. Поверхность сетки делается не сплошной, а состоит из отдельных тонких проводов, образующих решетку. Из-за этого электроны почти не попадают на сетку, а пролетают сквозь нее на анод, создавая ток в анодной цепи (рис. 3а). Если же потенциал сетки отрицателен, электрическое поле препятствует движению электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет (рис. 3б).

Таким образом, в электровакуумном триоде можно эффективно управлять током в цепи анода, меняя напряжение на сетке. Причем проводимость триода может меняться от полностью закрытого состояния до полностью открытого. Но ведь именно этими свойствами и должен обладать вентиль! И именно в качестве «электронных вентилей» использовались триоды в первых электронно-вычислительных машинах.

Зная об устройстве электровакуумных ламп, можно понять, с чем связаны их недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность приборов, которая вызвана большим временем пролета электронами расстояния от катода до анода. В-третьих, большая потребляемая мощность. Избежать всех этих недостатков позволяют полупроводниковые транзисторы. Рассмотрим устройство транзистора в том виде, в каком он был предложен впервые, — в виде биполярного транзистора.

Полупроводниковый транзистор

Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу, как свободная клетка при игре в пятнашки. Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную свободную частицу.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором (рис. 4). За счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов в них различно. Так, в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью р-типа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).

Рис. 4.Электронно-дырочный переход и транзистор