Pokaždé, když zvednete telefon, dotknete se tranzistoru. Vidíte to na obrazovce počítače. Aby internet fungoval, závisí na milionech tranzistorů. Ale co jsou zač?
Představte si tranzistor jako velmi přesný faucet. Není to jen o zapnutí nebo vypnutí streamu. Řídí * kolik* vody jím proteče. Ve světě elektřiny je „voda“ tok elektronů. Tranzistory řídí tento tok velmi přesně a umožňují obvodům zapínat a vypínat signály nebo je zesilovat, aby mohly být přenášeny na velké vzdálenosti.
Bez takového ovládání by moderní elektronická zařízení byla nejen objemná, ale jednoduše by neexistovala.
Náhodnost okamžiku objevení se křemíkového prekurzoru
Vynález tranzistoru nebyl náhodný geniální čin. Jeho vytvoření vyžaduje materiály, které lze vědecky získat pouze v určitých obdobích historie.
První tranzistory vytvořené v Bellových laboratořích byly vyrobeny z germania. Vědci vědí, že čisté germanium je dielektrikum a brání průchodu elektrického proudu. Bylo však zjištěno, že přidání malých nečistot prostřednictvím procesu zvaného doping z něj udělá slabý vodič. To vedlo ke zrodu polovodičů.
Polovodiče zaujímají mezipolohu. Nejsou to dokonalé vodiče jako měď a nejsou to dokonalé dielektrika jako sklo. Jejich vlastnosti lze přizpůsobit.
Proč se to stalo hned po druhé světové válce? Kvůli načasování. Válečné úsilí podnítilo významný pokrok v čištění čistého germania a zlepšování dopingových technik. Suroviny potřebné k výrobě tranzistorů najednou konečně dosáhly požadované čistoty. Předtím tyto materiály neexistovaly v použitelné formě.
P-N křižovatky: jednosměrný provoz v elektronice
Doping určuje chování polovodičů. V závislosti na tom, jaké prvky jsou přidány do germania, může nastat jedna z následujících situací:
- Typ N: Aditiva přidávají elektrony navíc. Protože mají záporný náboj, materiál má tendenci elektrony odpuzovat.
- P-typ: Dopant odstraní elektron a vytvoří „díru“ tam, kde byl elektron. To způsobí, že materiál získá kladný náboj a přitahuje elektrony ze sousedních materiálů.
Umístěním vrstvy typu N vedle vrstvy typu P vznikne P-N dioda.
V tomto uzlu proudí elektřina pouze jedním směrem. Elektrický proud snadno protéká jedním směrem, ale v jiném je blokován. Tato vlastnost je základem usměrnění, které převádí střídavý proud (AC) na stejnosměrný proud (DC) a slouží jako stavební kámen všech složitých obvodů.
Od diod po přechodové tranzistory
Diody jsou užitečné, ale tranzistory také obsahují spoustu energie. Aby toho dosáhli, inženýři položili tyto materiály jeden po druhém.
Konečným výsledkem byla struktura P-N-P nebo N-P-N. Střední vrstva se nazývá základní. Bod, kde se vrstvy protínají, se nazývá přechod. Proto se původní zařízení často nazývá přechodový tranzistor.
Je zde kouzlo. Vysláním malého proudu do této základní vrstvy lze řídit mnohem větší proudy procházející zbytkem zařízení.
Když se na základnu přivede malý proud, otevře se „brána“ a elektrony se přesunou ze strany typu N na stranu typu P. Tento malý vstupní signál funguje jako spínač. Může jím projít velký proud. Když se vstupní signál zastaví, zastaví se i velký proud.
Díky této dvojí funkci jsou tranzistory základem výpočetní techniky. Fungují jako logické hradlové spínače (0 nebo 1, zapnuto nebo vypnuto). Fungují také jako zesilovače (zesilující slabé signály) pro rádia, audio zařízení a senzory.
Přechod na křemík
Již více než 20 let jsou germaniové tranzistory všude. Pracovali v raných rádiích, počítačích a televizích.
Germanium má však své nevýhody. Je citlivý na teplo a jeho důsledné čištění je obtížnější. Průmysl se nakonec přesunul na polovodiče na bázi křemíku. Křemík je široce dostupný, levný na zpracování a funguje mnohem spolehlivěji při různých teplotách.
V současné době málokdo používá germanium k vytvoření nové komerční elektroniky. Princip ale zůstává stejný. Vrstvy typu N a typu P stále interagují, vyměňují si proud a zesilují signál. Materiál se změnil. Fyzika zůstává stejná.
Přešli jsme od objemných bloků germania k
