Jak fungují tranzistory?
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
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 (0)