Jak fungují tranzistory?

V tomhle telefonu je skoro
100 milionů tranzistorů. V tomhle počítači jich
je přes miliardu. Tranzistory jsou v každém
elektronickém přístroji. V televizích, v rádiích, v tamagotchi... Ale jak fungují? Základní princip je
neuvěřitelně jednoduchý. Funguje to jako tenhle spínač. Ovládáte tok elektrického proudu.

Může být vypnutý, což je stav 0. Nebo může být zapnutý, což je stav 1. Takhle jsou všechny naše
současné informace zpracovávány. Jako jedničky a nuly. Jako malý elektrický proud. Na rozdíl od spínače nemá
tranzistor žádné pohyblivé části a také nemusí být ovládán člověkem. A co víc, může se zapínat a vypínat
mnohem rychleji, než to dokážu já.

A v neposlední řadě
je neuvěřitelně malý. To je vše možné díky
zázraku jménem polovodiče. Nebo spíš díky vědě o polovodičích. Čistý křemík je polovodič. To znamená, že vede
proud lépe než izolanty, ale hůř než kovy. To proto, že křemík má čtyři
elektrony ve valenční vrstvě. To mu umožňuje tvořit
vazby se čtyřmi nejbližšími sousedy.

- Jak se máš?
- Jak jeee? Vytvoří se tak silan. I když jsou elektrony
uzavřeny ve vazbách, tak několik z nich má dostatečnou
energii, aby se z nich vytrhlo, a cestovalo mřížkou. To malé množství pohyblivých
nábojů dělá z křemíku polovodič. Ale tohle by nebylo tak užitečné,
bez jedné tajné zbraně. Dopování.

O dopingu jste už slyšeli. Je to užití cizí látky,
která má zlepšit výkon. Ano, je to vlastně stejné,
ale na atomární úrovni. Jsou dva typy dopingu,
typ N a typ P. Pro polovodiče typu N vezmete křemík a přidáte trochu prvku
s pěti valenčními elektrony. Jako fosfor. To je užitečné, protože fosfor
je křemíku natolik podobný, že pasuje do mřížky.

Ale přináší s sebou elektron navíc. To znamená, že polovodič má teď
více volných nábojů, takže proud vede lépe. V dopingu typu P je přidám prvek
s pouhými třemi valenčními elektrony. Jako třeba bor. Ten vytvoří díru. Místo, kde by elektron
měl být, ale není.

To zvyšuje vodivost polovodiče,
protože se do ní elektron přesune. Ačkoliv se pohybují elektrony,
tak mluvíme o tom, že se pohybují díry, protože jich je mnohem méně. Protože díra je chybějící elektron,
tak se chová jako kladný náboj. Proto se polovodiče typu P
nazývají tak, jak se nazývají. P značí pozitivní. Jsou to tyto pozitivní díry,
které se pohybují a vedou proud. Je běžným omylem, že polovodiče
typu N jsou negativně nabité a polovodiče typu P pozitivně.

To není pravda.
Oba jsou neutrální, protože mají uvnitř stejný
počet elektronů i protonů. N a P pouze značí, jaké znaménko
má pohybující se náboj. V typu N se pohybují
negativně nabité elektrony a v typu P se pohybují pozitivní díry. Ale oba jsou neutrální. Tranzistor je tvořen
oběma typy polovodičů.

Běžně se typ N nachází
na okrajích a typ P uprostřed. Stejně jako spínač, tranzistor je
na obou koncích zapojen do obvodu. Tyto vývody
se nazývají source a drain. Ale místo mechanického spínače
je tu kontakt, nazývaný gate, který je od polovodiče
odizolován vrstvou oxidu. Když se tranzistor vyrobí,
oba typy materiálu se ovlivňují. Elektrony difundují z typu N,
kde jich je víc, do typu P, kde zaplní díry.

To vytvoří vyčerpanou oblast. Co bylo vyčerpáno?
Náboje schopné pohybu. V typu N nejsou
žádné volné elektrony. Proč? Protože vyplnily díry v typu P. To udělá díky elektronům navíc
typ P záporně nabitým, což je důležité, protože typ P teď
bude odpuzovat všechny elektrony, které budou přicházet z typu N.

Vyčerpaná oblast
se chová jako bariéra, která brání průtoku
proudu tranzistorem. Tranzistor je teď vypnutý.
Jako rozepnutý spínač. Je ve stavu 0. Abyste ho zapnuli, musíte přivést
malé kladné napětí na gate. Toto napětí elektrony přitahuje a překonává tak odpuzování
vyčerpané oblasti. Vyčerpanou oblast to zeslabuje, takže elektrony mohou projít
a vytvoří vodivý kanál.

Tranzistor je teď zapnutý,
je ve stavu 1. To je úžasné. Protože jen využitím vlastností krystalu jsme byli schopni vytvořit
spínač bez pohyblivých částí. Může se zapínat a vypínat velice rychle
a to jen přivedením napětí. A co je nejdůležitější,
může být miniaturní. Dnešní tranzistory jsou
jen 22 nm široké.

Což znamená, že jsou
široké jen asi 50 atomů. Podle Moorova zákona
se budou ještě zmenšovat. Moorův zákon říká, že každé dva roky by se měl počet tranzistorů
na čipu zdvojnásobit. Ale je tu limit. Jak se tyto vývody blíží k sobě, tak se uplatní kvantové tunelování a elektron může přejít
z jedné strany na druhou.

Takže nedokážete vytvořit dostatečnou
bariéru, které by jim zabránila v toku. To bude v budoucnosti
tranzistorů velký problém. Ale s tím se budeme
potýkat až tak za 10 let. Až do té doby se budou tranzistory,
jak je známe, jen zlepšovat. Překlad: Mithril
www.videacesky.cz