Tranzistor

-

Tranzistor je polovodičová součástka, která slouží jako zesilovač, spínač, stabilizátor nebo modulátor elektrického proudu a napětí. Jedná se o klíčový prvek moderní elektroniky, který umožnil miniaturizaci a odstartoval digitální revoluci. Název vznikl z anglických slov transfer resistor (přenášející odpor).

Základní funkcí tranzistoru je schopnost malým signálem (proudem nebo napětím) na jedné elektrodě řídit mnohonásobně větší proud tekoucí mezi zbývajícími dvěma elektrodami. Tato vlastnost, známá jako tranzistorový jev, umožňuje jeho použití ve dvou základních režimech: jako zesilovač slabých signálů nebo jako elektronický spínač. Tranzistory jsou základním stavebním kamenem integrovaných obvodů, jako jsou mikroprocesory a paměti, které mohou obsahovat miliardy až desítky miliard tranzistorů na jediném čipu.

Historie

První teoretické koncepty tranzistoru řízeného polem se objevily již ve 20. a 30. letech 20. století, kdy si je patentovali Julius Edgar Lilienfeld (1925) a Oskar Heil (1934). K praktické realizaci však došlo až po druhé světové válce.

První funkční hrotový tranzistor byl úspěšně demonstrován 16. prosince 1947 v Bellových laboratořích v USA. Na tomto objevu pracoval tým ve složení John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Bradford Shockley. Bardeen a Brattain sestrojili první funkční model, zatímco Shockley, který vedl výzkum polovodičů, později navrhl vylepšený a robustnější plošný bipolární tranzistor, který se stal základem pro masovou výrobu. Všem třem byla za tento objev, konkrétně "za výzkumy o polovodičích a za objev tranzistorového jevu", udělena v roce 1956 Nobelova cena za fyziku.

Vynález tranzistoru znamenal revoluci v elektronice. Tranzistory postupně nahradily elektronky, které byly velké, energeticky náročné a měly kratší životnost. Díky menším rozměrům, nižší spotřebě energie a vyšší spolehlivosti umožnily tranzistory obrovský rozvoj elektroniky, zejména výpočetní techniky, a vedly k výrobě zařízení jako tranzistorových rádií, počítačů a mobilních telefonů.

Dalším klíčovým milníkem byl vynález tranzistoru MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) v Bellových laboratořích v letech 1955–1960 a následně technologie CMOS (Complementary MOS) v roce 1963, která umožnila ještě vyšší hustotu integrace a nižší spotřebu, což je základem dnešních digitálních integrovaných obvodů.

Princip činnosti (Tranzistorový jev)

Funkce tranzistoru je založena na takzvaném tranzistorovém jevu. Ten spočívá v možnosti ovládat proud procházející mezi dvěma elektrodami (např. kolektorem a emitorem) pomocí malého proudu nebo napětí přivedeného na třetí, řídicí elektrodu (bázi nebo gate).

V bipolárním tranzistoru (BJT) malý proud přivedený do báze "otevře" přechod a umožní tak průchod mnohem většího proudu z kolektoru do emitoru. U unipolárního tranzistoru (FET) napětí na řídicí elektrodě (gate) vytváří elektrické pole, které ovlivňuje vodivost kanálu mezi zbývajícími elektrodami (source a drain) a tím reguluje protékající proud.

Tranzistor může pracovat v několika režimech:

Režim zesílení (aktivní režim): Malé změny vstupního signálu (proudu nebo napětí) vyvolávají velké, ale proporcionální změny výstupního proudu. V tomto režimu se tranzistor používá v zesilovačích.
Režim saturace (sepnutý stav): Tranzistor je plně "otevřený" a klade minimální odpor průchodu proudu, chová se jako sepnutý spínač.
Režim odpojení (uzavřený stav): Tranzistor je plně "uzavřený", klade maximální odpor a proud jím téměř neprotéká. Chová se jako rozepnutý spínač.

Struktura a materiály

Tranzistor je tvořen třemi vrstvami polovodičového materiálu s různým typem vodivosti (P nebo N). Původně se pro výrobu používalo germanium, ale brzy bylo nahrazeno křemíkem, který má lepší tepelné vlastnosti a umožňuje vytvoření stabilní izolační vrstvy oxidu křemičitého (SiO₂), což je klíčové pro technologii MOSFET.

Každý tranzistor má minimálně tři elektrody:

U bipolárních tranzistorů (BJT):
- Emitor (E): Silně dotovaná oblast, která emituje (dodává) nosiče náboje.
- Báze (B): Velmi tenká střední vrstva, která řídí tok nosičů.
- Kolektor (C): Oblast, která sbírá (kolektuje) nosiče náboje.
U unipolárních tranzistorů (FET):
- Source (S): Zdroj nosičů náboje.
- Gate (G): Řídicí elektroda, jejíž napětí ovládá vodivost kanálu.
- Drain (D): Odvádí nosiče náboje.

Nejrozšířenější technologií výroby je tzv. planární technologie, při které se struktury tranzistoru vytvářejí na povrchu tenké křemíkové destičky (waferu) postupy jako oxidace, leptání a difuze příměsí.

Základní typy tranzistorů

Tranzistory se dělí do dvou hlavních kategorií podle principu jejich funkce:

Bipolární tranzistory (BJT)

Bipolární tranzistory jsou řízeny proudem tekoucím do báze. Na vedení proudu se podílejí oba typy nosičů náboje (elektrony i díry), proto se nazývají "bipolární". Jsou vhodné pro použití v zesilovačích. Dělí se podle uspořádání vrstev na:

NPN: Skládá se z vrstev Polovodič typu N-Polovodič typu P-Polovodič typu N. Řídicí proud teče do báze.
PNP: Skládá se z vrstev Polovodič typu P-Polovodič typu N-Polovodič typu P. Funkce je analogická NPN, ale s opačnou polaritou napětí a proudů.

Unipolární tranzistory (FET)

Unipolární tranzistory (Field-Effect Transistor, tranzistor řízený polem) jsou řízeny napětím na řídicí elektrodě (Gate). Proud vede pouze jeden typ nosičů náboje ("unipolární"). Mají velmi vysoký vstupní odpor, což je výhodné v mnoha aplikacích. Jsou dominantní v digitální elektronice a integrovaných obvodech. Dělí se na:

JFET (Junction FET): Hradlo je tvořeno závěrně polarizovaným PN přechodem.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET): Hradlo je od kanálu izolováno tenkou vrstvou oxidu (dielektrika). Jsou základem moderních mikroprocesorů a pamětí.
IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor): Kombinuje výhody BJT (vysoký proud) a MOSFET (jednoduché řízení napětím), používá se ve výkonové elektronice.

Použití a význam

Tranzistory jsou základem téměř všech moderních elektronických zařízení. Jejich vynález je považován za jeden z nejdůležitějších objevů 20. století.

Zesilovače: Zesilují slabé signály, například v audio technice, rádiových přijímačích nebo měřicích přístrojích.
Spínače: Díky schopnosti rychle se přepínat mezi vodivým a nevodivým stavem tvoří základ digitální logiky, procesorů, pamětí a veškeré výpočetní techniky.
Integrované obvody: Miliardy tranzistorů integrovaných na jednom čipu tvoří složité obvody, které jsou srdcem počítačů, chytrých telefonů a dalších digitálních zařízení. Tento trend neustálého zmenšování a zvyšování počtu tranzistorů na čipu je popsán Moorovým zákonem.
Výkonová elektronika: Speciální typy tranzistorů (např. IGBT) se používají pro spínání velkých proudů a napětí, například ve frekvenčních měničích, napájecích zdrojích nebo v řízení elektromotorů.

Dopad tranzistoru na společnost je obrovský. Umožnil vznik informačního věku, rozvoj komunikace, automatizace, lékařství a mnoha dalších odvětví.

Odkazy

Zdroje

Související články

Externí odkazy

Další soubory ve Wikimedia Commons: Transistors