Abychom pochopili, k čemu je tranzistor, nejlépe pomůže toto přirovnání: pokud je malá buňka cihlou v živém organismu, pak je tranzistor cihlou v digitální revoluci. Bez něj by se všechny technologické zázraky, které denně používáme (mobily, počítače, auta), výrazně lišily od těch moderních, nebo by dokonce vůbec neexistovaly.
Obsah
- Historický přehled
- Zjednodušené schéma práce
- Základní struktura
- Typy a typy
Historický přehled
Než byly vynalezeny polovodičové prvky elektrických obvodů, používali konstruktéři pro stejné účely elektronky a mechanické spínače. Lampy nebyly zdaleka ideální. Před zahájením práce se potřebovali zahřát, nemohli se pochlubit spolehlivostí, nespolehlivostí a kompaktností, spotřebovávali příliš mnoho energie. Na nich byly založeny všechny spotřebiče, od televizorů až po rané počítače.
Po druhé světové válce vědci aktivně hledali alternativu k lampám a našli odpověď v dílech Julia Lilienfelda na konci 20. let 20. století. Tento polsko-americký fyzik podal patent na tříelektrodové zařízení vyrobené ze sulfidu mědi. Bohužel neexistuje žádný důkaz, že skutečně vyrobil funkční zařízení. Jeho výzkum však pomohl vytvořit to, čemu se dnes říká tranzistor s efektem pole.
Dvacet let po Lilienfeldu Bell nutně potřeboval něco lepšího než lampy pro své komunikační systémy. Sestavila hvězdný tým vědeckých mozků, aby pracovali na studiu náhražek vakuových prvků, včetně skupiny:
- John Bardeen;
- Walter Brattain;
- William Shockley.
V roce 1947 byl Shockley ředitelem výzkumu tranzistorů v Bell, Brattain byl odborníkem na fyziku pevných látek a Bardeen byl elektrotechnik a fyzik. Rok úspěšně experimentovali s germaniem a brzy poté Shockley zdokonalil jejich nápady vývojem tranzistorového přechodu. Následující rok Bell oznámil světu, že vynalezl funkční polovodičovou triodu. V roce 1956 dostal tým vědců za tento objev Nobelovu cenu za fyziku.
Pochopení rozsahu vynálezu a toho, proč jsou potřeba tranzistory, je nemožné, aniž bychom si to uvědomili fakt: tato malá zařízení udělala jeden z největších technologických skoků vpřed lidstvo. A to není přehánění – skutečně změnily běh dějin.
Zjednodušené schéma práce
Tranzistory jsou zařízení, která řídí pohyb elektronů, a tedy i elektrického proudu. Abychom pochopili, co tranzistor dělá, nejlépe se hodí analogie s vodovodním kohoutkem a průtokem tekutiny, ale v na rozdíl od posledně jmenovaných mohou nejen projít nebo blokovat tok, ale jsou také schopni jej ovládat číslo. Použití tranzistorů je extrémně široké a je založen na skutečnosti, že jako elektronická součástka může plnit dvě různé funkce:
-
Zesilovač. V této kapacitě přijímá malé elektrické proudy na jedné svorce a vytváří významné proudy ve výstupním obvodu. Této vlastnosti se v elektronice využívá k zesílení signálů, díky čemuž tranzistory nahradily elektronkové triody. - Přepínač. V závislosti na přítomnosti nebo nepřítomnosti signálu na řídicí elektrodě je schopna uzavřít nebo otevřít obvod. Takto fungují počítačové čipy. Například paměťový čip obsahuje stovky milionů nebo dokonce miliardy tranzistorů, z nichž každý lze zapnout nebo vypnout. Protože všichni ve schématu jsou pouze v jednom ze dvou stavů, mohou být správci binární informace – nula nebo jedna. Čip s miliardami tranzistorů je schopen uložit miliardy nul a jedniček.
Základní struktura
Pouzdro, izolace, polovodičový krystal, kovové vodiče - z toho se skládá tranzistor. Různé dopování polovodiče umožňuje vytvořit dva typy jeho struktury:
- p-typ;
- n-typu.
Samotný krystal je sendvič těchto dvou typů, uspořádaný tak, že dvě stejné vrstvy sendviče obsahují protilehlé. Podle jejich kombinace se tranzistor nazývá buď typu p-n-p nebo n-p-n. Názvy tří pinů připojených k odpovídajícím vrstvám jsou společné pro všechny typy bipolárních a polních tranzistory a odrážejí jejich účel (pojmy použité ve vztahu k polem jsou uvedeny v závorkách):
- základna (závěrka);
- sběrač (odtok);
- emitor (zdroj).
Základna (gate) přijímá slabý řídicí signál a mezi zbývajícími dvěma kolíky protéká silný kolektorový proud (ze zdroje do kolektoru). Ten se mění v závislosti na základním proudu. Navenek tranzistor vypadá jako radioelektronická součástka se třemi vývody.
Typy a typy
Načasování vynálezu tranzistorů nebylo náhodné. Jejich krystaly vyžadují čisté polovodičové materiály, aby správně fungovaly. Bylo to po druhé světové válce, že pokrok v technologii získávání germania, stejně jako pokroky v oboru legování umožnilo získat materiály vhodné pro sériovou výrobu polovodičů zařízení.
Později byl v komerční elektronice místo germania použit křemík. Polovodiče na něm založené jsou spolehlivější a dostupnější než germanium. Křemík je vhodný pro výrobu počítačů. V čipech nejsou tranzistory izolované jako samostatné součástky, ale jsou součástí toho, čemu se říká integrované obvodu, a jsou umístěny na jediném polovodičovém krystalu spolu s dalšími prvky - kondenzátory a rezistory. Moderní křemíková zařízení v mikročipu jsou tak malá, že se jejich rozměry měří v nanometrech.
Vývoj materiálů pro výrobu těchto zařízení se nezastavil. Díky nedávným pokrokům se materiál zvaný grafen může stát základem triod v 21. století. Přenáší elektrony mnohem rychleji než křemík a mohl by tvořit základ počítačových čipů, které jsou řádově účinnější než polovodiče na bázi křemíku.
To, jaké jsou tranzistory, se neomezuje pouze na jejich rozdělení podle materiálu krystalu. Existují dvě velké skupiny, které se liší v metodách řízení:
- pole;
- bipolární.
Slovo "pole" znamená, že brána je ovládána elektrickým polem, to znamená, že ke změně proudu mezi svodem a zdrojem stačí změnit napětí. A při bipolárních reakcích se kolektorového proudu dosahuje změnou proudu na bázi. Bipolární zařízení byla masivně používána v 60. a 70. letech a jsou v dnešní době žádaná jako prvky analogových obvodů především díky tomu, že jsou snadno vyrobitelné a mají velké linearita. Obor zachytil téměř celý tržní podíl digitálních obvodů.
Existují i jiné typy tranzistorů. Jsou katalogizovány nejen podle principu činnosti, ale také podle výkonu, pracovních frekvencí, struktury, použití a dalších indikátorů. Vývoj těchto zařízení pokračuje bez zpomalení. Například vědci z Jižní Koreje nedávno vytvořili p-n přechod vyrobený z jediné molekuly benzenu. Moderní čipy generují spoustu promarněného tepla. V tomto ohledu mohou mít molekulární tranzistory velkou budoucnost – mohou se stát klíčem ke zlepšení energetické účinnosti.
Bez ohledu na to, jakými směry se bude vývoj technologií ubírat, je zřejmé, že díky aktivnímu výzkumu způsoby, jak zlepšit tranzistory, počítače budou rychlejší, levnější a spolehlivější a mobilní telefony - ještě lehčí a kompaktnější. Tato malá zařízení nadále přetvářejí technologickou krajinu a nakonec i naši společnost jako celek. To je úžasný osud jednoduchého zařízení vynalezeného před více než 60 lety.
