Thumbnail play icon

Jak fungují tranzistory?

93 %
Tvoje hodnocení
Počet hodnocení:343
Počet zobrazení:8 292

Po delší době přináším další video z kanálu 1veritasium. Zjistíme, jak vlastně fungují tranzistory, bez kterých by žádná dnešní elektronika nemohla fungovat.

Přepis titulků

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

Komentáře (31)

Zrušit a napsat nový komentář

Odpovědět

ja si ze střední elektrotechny akorat pamatuju jednu definici

"na cívku jako na dívku..nejdřív napětí, potom proud" :D

493

Odpovědět

Tak když už jsme u tranzistorech, to je už jen krůček k tomu začít překládat "Computerphile" ne ? :D

331

Odpovědět

No možná bych v některých případech použil jiné názvosloví.
dopovaný polovodič - obvykle se používá označení dotovaný polovodič
vyčerpaná oblast - spíše se označuje jako vyprázdněná oblast

201

Odpovědět

V prvním případě spíše nesouhlasím, dopovaný polovodič se běžně používá, naopak dotovaný polovodič jsem ještě neslyšel (neříkám, že se to nepoužívá vůbec). V druhém případě spíše souhlasím, vyprázdněná oblast je obvyklejší překlad.

202

Odpovědět

Název videa je značně zavádějící, když mluví jenom o unipolárech s indukovanym kanálem a ještě se baví jenom o spínacím režimu.

292

Odpovědět

Mám na to školu a stejně tomu nerozumím. Během videa mě napadlo několik otázek jak a proč na které mi stejně nikdo nikdy neodpoví a nikdy nedopověděl.

268

Odpovědět

Škoda že to video tu nebolo tak mesiac dozadu, keď som sa toto musel učiť na skúšku.

231

Odpovědět

1:20 "tetrahedral crystal" bych nepřekládal jako "silan". V silanu by musely být 4 atomy vodíku na jeden atom křemíku, ale ve videu je samotný křemík.

231

Odpovědět

Přesně - silan je sloučenina SiH4, to co ukazuje on je krystal křemíku, který je uspořádán do formace čtyřstěnu - tetraedru.

01

Odpovědět

Drain =kolektor
Source =emitor
Gate =hradlo :D

3010

Odpovědět

Nic proti, ale toto není pravda. D, S, G je tradičně značení polem řízených tranzistorů (i v češtině). Kolektor a emitor se používají u bipolárních tr.

11

Odpovědět

paradne video. este tak pochopit rozdiel pri spracovani dat vo flash disku a v RAM a budem stastny clovek :)

205

Odpovědět

Ve Flash disku čili EEPROM využíváš nedestruktivního čtení z paměti. Čili po přečtení hodnoty v paměti se informace zachová. A to díky tranzistorům, jelikož každý tranzistor místo klasické báze (jako je ve videu) obsahuje báze 2. Řídící (jako je ve videu) a miniaturní/parazitní. Do tété miniaturní báze jsou přivedeny elektrony a ty jsou zde uvězněny (informace zapsána).
Přičemž RAM využívá destruktivního čtení informace, protože je tvořena kapacitou(kondenzátory) a když k nim přivedeš singál po adresovém vodiči, náboj čili informace uteče z kapacity po sběrnicovém vodiči k místu kde má být informace přečtena = 1. Není-li v kapacitě žádný náboj, nic neuteče = 0.
Proto existuje refresh signál u RAM, aby se náboje z kondenzátoru úplně neztratil, protože jak víme kondenzátor v závslosti na čase ztrácí velikost náboje.

Odborníci, mě kdyžtak poupraví, ale prosím nekamenovat. SŠ jsem studoval už nějaký ten pátek :D

213

Odpovědět

+SharpeNo, odborník nejsem, ale kapacitní paměti byly afaik víc teorií než praxí.

Co se týče normální RAM, je (bývala) tvořena klopným obvodem, u té flash jsem to nikdy vědět nepotřeboval ;)

Nicméně četl jsem celkem nedávno, že se podařilo vyrobit tranzistor s paměťovým efektem, což umožní rapidní zmenšení pamětí a především větší (a hlavně rychlejší) paměti přímo v procesoru). Prý během pár let by se měly začít objevovat prototypy.

194

Odpovědět

+SharpeSharpe má pravdu, dnes se používají jako RAM "kapacitní" (správně dynamické - DRAM) paměti.

To o čem mluvíš je paměť statická (SRAM) a používá se například jako L1/L2[/L3] cache. To především proto, že cache je integrována přímo u procesoru a je vyrobena stejnou technologií jako sám procesor (pouze tranzistory).

Dynamická paměť se používa proto, že je levnější (1 kapacita a 1 tranzistor oproti 6 tranzistorům SRAM).

211

Odpovědět

K čemu polovodiče, raději si počkám na celovodiče.

2139

Odpovědět

Mě dostalo to Švýcarsko (cca 3:20). :D

232

Odpovědět

ví někdo, zda-li se vyčerpaná vrstva = hradlová vrstva? (popřípadě mohl by mi nějaký fyzik vysvětlit jaký je mezi nimi rozdíl?) ... kdysi jsem to možná chápala :-)

191

Odpovědět

Není mezi tím rozdíl, jde pouze o špatný překlad

190

Odpovědět

Source, drain = kolektor, emitor, gate= báze

187

Odpovědět

+AutoEhm ... ne. Termíny kolektor, emitor a báze se týkají bipolárních tranzistorů, které se ovládají proudem. Source, drain a gate se týkají unipolárních tranzistorů které se ovladají elektrickým polem (napětím). Tenhle rozdíl je potřeba nezaměňovat a tedy neklást mezi tyto termíny rovnítko.

220

Odpovědět

+AutoAha, to jsem nevěděl, a tyto termíny tedy nemají český překlad?

180

Odpovědět

+AutoNe, český překlad se v praxi nepoužívá.

00

Odpovědět

Díky snad pochopím látku, z které jsem propadal :D

192

Odpovědět

Mám z toho maturitu, ale furt tomu nerozumím :D

2110

Odpovědět

ziskat vzdelanie =/= byt vzdelany

292

Odpovědět

+piadikSvatá pravda, taky studuji elektrotechniku, ale rozuměl jsem tomu tak napůl a teď je mi to konečně jasné. Pravdu má taky piadik získat vzdělání automaticky neznamená, že jsi vzdělaný nebo nedejbože, že dané problematice rozumíš. :-)

240

Odpovědět

+piadikTaky proto vznikají takový vtipy: „Ty vole, když pomyslím na to, jaký jsem já inženýr, tak se normálně bojím jít k doktorovi!“

350

Odpovědět

Divný, taky jsem letos maturoval a nedozvěděl jsem se v tom videu nic novýho. Asi jsi dement :D

1931

Odpovědět

+AutoVšichni jsme dementi, jen ty jsi auto.

271

Odpovědět

+Autovím, že je to starý a asi to nikdo číst nebude.. ale nechápu ty lidi, kteří maj odmaturováno a nechápou to.. já jsem ve druháku (mechatronika) a pochopil jsem všechno úplně v pohodě :D

00
Používáme cookies, abychom mohli provozovat tuto internetovou stránku a zlepšit Vaši uživatelskou spokojenost. Budete-li pokračovat beze změny nastavení, předpokládáme, že souhlasíte s ukládáním souborů cookies z internetových stránek. Více informací o použití cookies.
OK