Zasada działania tranzystora

Tranzystory w różnych obudowach

Tranzystory w różnych obudowach

Tranzystory są podstawową cegiełką rewolucji cyfrowej. Bez nich urządzenia takie jak telefony komórkowe lub komputery, byłyby całkowicie inne – jeżeli w ogóle by istniały.

Zanim jednak powstały tranzystory, inżynierowie w obwodach elektrycznych stosowali lampy próżniowe i elektromechaniczne przełączniki. Rozwiązania te były dalekie od ideału, ponieważ zanim zaczęły działać musiały się najpierw rozgrzać, a czasami przy tym się przegrzewały. Były zawodnie, nieporęczne i zużywały dużo energii. Mimo to działały na nich pierwsze komputery, system telefoniczny oraz telewizja.

W 1926r. Julius Lilienfeld polski fizyk pochodzenia żydowskiego złożył wniosek o patent na trzy-elektrodowe urządzenie wykonane z siarczku miedzi będącego protoplastą tranzystora polowego, budulca chipów krzemowych. Dwadzieścia lat później naukowcy z The Bell Telephone System postanowili wdrożyć jego ideę w życie.

Do prawidłowego działania tranzystory wymagają czystych materiałów półprzewodnikowych. Dlatego czas wynalezienia tranzystora nie był przypadkiem, gdyż dopiero po II Wojnie Światowej udoskonalone procesy oczyszczania i domieszkowania pozwoliły na uzyskanie materiału nadającego się do zastosowań półprzewodnikowych.

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora opiera się o kontrolę przepływu elektronów i w konsekwencji energii elektrycznej. Można to porównać do kranu gdzie, tranzystor, nie tylko zatrzymuje i uruchamia przepływ prądu, ale także reguluje jego ilość.

Pierwsze tranzystory były wykonane z germanu (Ge), gdyż czysty german był bardzo dobrym izolatorem. Dodanie do niego zanieczyszczeń (proces zwany domieszkowaniem) zmieniało go w bardzo słaby przewodnik lub półprzewodnik. Półprzewodnik to materiał, który jest czymś pomiędzy izolatorem, a przewodnikiem oraz pozwala na regulację stopnia przewodności elektrycznej.

W zależności od rodzaju wykorzystywanych elementów, proces domieszkowania pozwalał na uzyskanie warstwy germanu typu negatywnego (typ N) oraz pozytywnego (typ P). W warstwie typu N wprowadzenie domieszki dającej nadmiar elektronów powoduje, że elektrony odpływają. W warstwie typu P odpowiednia domieszka powoduje, że german traci elektrony, przez co elektrony z przyległych materiałów płyną ku niemu.

Sąsiadujące ze sobą warstwy typu N i P tworzą złącze P-N. Złącze to umożliwia przepływ prądu, ale tylko w jednym kierunku, co jest niezwykle pomocne przy tworzeniu układów elektronicznych.

Kolejnym krokiem były tranzystory bipolarne w konfiguracji warstw P-N-P oraz N-P-N. Z prądem elektrycznym przyłożonym do centralnej warstwy (bazy), elektrony poruszają się od warstwy N do warstwy P. Początkowy mały przepływ prądu działa jak przełącznik, który następnie umożliwia znacznie większy przepływ prądu między innymi warstwami. Oznacza to, że w obwodzie elektrycznym tranzystor działa jednocześnie jak przełącznik i wzmacniacz.

Tranzystory w erze komputerów

Tranzystory oparte o german były w użyciu przez ponad 20 lat i z pewnością pomogły zapoczątkować erę komputerów. Dzisiaj german w przemysłowej produkcji tranzystorów został zastąpiony przez krzem. Tranzystory oparte na krzemie są bardziej niezawodne i tańsze w produkcji. Zrewolucjonizowały one erę projektowania komputerów, a w Kalifornii zrodziły cały nowy, ogromny przemysł zwany Doliną Krzemową.

Dzięki odpowiedniemu wykorzystaniu inżynierii, krzemowe tranzystory znacząco podniosły moc obliczeniową komputerów, oferując możliwość ogromnej liczby obliczeń w krótkim czasie. Złożone zadania są realizowane dzięki prostej obsłudze przełączników. W chipie komputerowym tranzystory przełączają się pomiędzy dwoma stanami binarnymi 0 i 1. Jeden taki chip składa się z milionów tranzystorów, które przełączając się w sposób ciągły rozwiązują skomplikowane zadania.

W chipie komputerowym tranzystory nie są izolowane. Są one częścią tego, co dzisiaj nazywamy układem scalonym (mikrochip lub mikorprocesor), a układ scalony to jeden kawałek materiału półprzewodnikowego wypełniony tranzystorami i innymi podzespołami elektronicznymi.

Komputer, aby podejmować proste decyzje korzysta z tego wszystkiego w parze z algebrą Boole’a. Z pomocą wielu tranzystorów może podejmować bardzo szybko wiele prostych decyzji, co przekłada się na bardzo szybkie wykonywanie skomplikowanych obliczeń.

W celu szybkiego wykonywania powierzonych zadań komputer potrzebuje miliony, a nawet miliardy tranzystorów. Dzięki niezawodności i wielkości o wiele mniejszej niż średnica ludzkiego włosa, inżynierowie mogą upakować niezliczoną liczbę tranzystorów do szerokiej gamy komputerów i produktów związanych z komputerami.

Tranzystory wczoraj i dziś

W latach 60 i 70 tranzystory w głównej mierze były produkowane w oparciu o podstawową konstrukcję opartą o technologię opracowaną przez laboratorium Bell. Postęp w rozwoju krzemu w latach 70 doprowadził do konstrukcji tranzystorów polowych o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik, w skrócie MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Wykorzystują one te same zasady jak w przypadku innych tranzystorów, ale krzemowe warstwy typu N i P są tańsze, ułożone w różny sposób oraz w zależności od rodzaju domieszki metali i tlenków mogą być stosowane w różnym celu.

Istnieje wiele różnych typów tranzystorów, a inżynierowie dzielą je w zależności od materiału półprzewodnikowego, zastosowana, mocy, struktury, częstotliwości pracy i innych zmiennych. W miarę rozwoju technologii inżynierowie nauczyli się produkować równocześnie wiele tranzystorów na tym samym kawałku półprzewodnika wraz z innymi składnikami, takimi jak rezystory i kondensatory.

Krzemowe wafle - zasada działania tranzystora

Krzemowe wafle z wytrawionymi układami scalonymi, użytymi w kosmicznych misjach ESA. Źródło: ESA

Rezultatem jest to, co nazywamy dzisiaj układem scalonym, czyli chipem, zawierającym miliardy tranzystorów. Od 1960 roku, liczba tranzystorów na jednostkę powierzchni podwaja się, co półtora roku. Oznacza to, że inżynierowie mogą upakować ich coraz więcej w coraz mniejsze urządzenia.

Kolejną nadzieją na zrewolucjonizowanie technologii wytwarzania tranzystorów jest zastąpienie krzemu, grafenem. Grafen zapewnia o wiele szybszy transfer elektronów. To może prowadzić do wytworzenia procesorów 1000 razy szybszych od tych opartych na krzemie.

Nie ważne, w którym kierunku pójdzie technologia pewne jest to, że tranzystory nadal będą prowadzić naszą cywilizację po ścieżce postępu, której dzisiaj nie jesteśmy sobie w stanie wyobrazić. Komputery i urządzenia staną się szybsze, tańsze i bardziej niezawodne. Tranzystory miały ogromny wpływ na naszą technologię oraz ostatecznie na nasze społeczeństwo jako całość. Nieźle jak na tak proste urządzenie wynalezione ponad 60 lat temu.

Zostaw komentarz