Tranzistor
Touto cachí bych Vás chtěl seznámit se součástkou a její historií, která znamenala asi největší zvrat ve vývoji elektronických zařízení.
Tou součástkou je TRANZISTOR.
Myslím, že asi každý tento termín už někdy slyšel, nejčastěji ve spojení s radiopřijímačem, kterému každý neřekne jinak než "tranzistorák". V počátcích přístroje obsahovaly pouze několik kusů, nebo dokonce i jeden kus tranzistoru. Dnes tuto, lépe řečeno tyto součástky naleznete všude kolem sebe a v obrovských počtech a neskutečně malých rozměrech ( v řádu desítek nm). Například takový běžný procesor v průměrném počítači, který Vám umožňuje tento listing číst může obsahovat 1 - 2,2 miliardy těchto součástek, neskutečné že? I nalezení pokladu vám umožní tento geniální vynález, setkáte se s ním i tváří v tvář ve finálce. Ale víte co stojí za vznikem této součátky a jak vlastně funguje? Ne? Tedy alespoň stručně Vás s tím v krátkosti seznámím.
Co to vlastně je?
Tranzistory jsou elektronické součástky (nejčastěji) se třemi elektrodami, které jsou v závislosti na jejich konkrétním zapojení schopny zesilovat buď napětí, nebo proud, nebo obojí současně (výkon). Proto je tranzistor považován za součástku aktivní, na rozdíl od diody, která nemá schopnost zesilovat a proto je pasivní součástkou.
Co ten název znamená?
Název vznikl ze slovního spojení slov "TRANsfer" a "reSISTOR" (v překladu v podstatě "přenosový rezistor", nebo-li proměnný odpor), který mu dali pánové Brattain a Shockley při jeho objevení. Důvodem byla změna odporu mezi dvěma svorkami v závislosti na proudu tekoucím do třetí, řídící elektrody. Počeštělý název je tranzistor.
Jaké jsou druhy?
Prvním že všech tranzistorů byl tranzistor germániový bipolární , u tohoto typu tranzistoru je odpor mezi elektrodami řízen proudem do řídící elektrody, u těchto tranzistorů rozlišujeme elektrody B - báze (řídící elektroda), C - kolektor (vstupní elektroda) a E - emitor (výstupní elektroda). Druhým základním typem jsou tzv. unipolární tranzistory - FET tranzistory (Filed Effect Transistor), u těchto tranzistorů je odpor mezi elektrodami řízen potenciálem (napětím) na řídící elektrodě, zde elektrody nesou název G - gate (řídící elektroda), D - drain (vstupní elektroda), S - source (výstupní elektroda). V dnešní době se jedná o nejpoužívanější typy jelikož k jeho řízení není zapotřebí elektrického výkonu, ale pouze elektrického pole (toto platí pouze pro ideální tranzistor, reálný spotřebovává pouze nepatrný výkon. I přes to je jeho řízení několikati tisíckrát energeticky výhodnější než řízení bipolárního tranzistoru). Proto je tento typ tranzistorů používán v podstatě všech elektronických zařízeních moderní koncepce (telefony, počítače, GPS, tablety...), navíc tyto tranzistory mají oproti bipolárním tranzistorům nižší vnitřní odpor v otevřeném stavu. Což má za následek menší energetické nároky zařízení a schopnost zařízení pracovat i při nízkých napájecích napětích. U těchto zařízení můžete slyšet že byly vyrobeny technologií MOS. Existují i další typy tranzistorů jako HEXFET, J-FET atd. , ale tím vám už nebudu plést hlavu. Dalším důležitým rozdělením tranzistorů je podle jejich polarity. Rozlišujeme tranzistory struktury NPN (N-FET), nebo tranzistory struktury PNP (P-FET). Zjednodušeně řečeno tranzistory typu NPN reagují na kladnou polaritu napětí (proudu) na řídící elektrodě vůči výstupní elektrodě a tranzistory struktury PNP reagují na zápornější napětí (proud) vůči výstupní elektrodě. Dalším rozdělení může být podle využití tranzistoru. Rozeznáváme tranzistory nízkofrekvenční, vysokofrekvenční, spínací. Dále můžeme dělit podle jejich výkonu a to tranzistory nízkého výkonu, středního výkonu ty se vyznačují poměrně vysokým zesílením a pak tranzistory výkonové, ty nemají tak vysoké zesílení, ovšem jsou schopné přenášet vysoké proudy (a to až do stovek ampér, špičkově i tisíce). Pro znalejší - ano, zesílení rozeznáváme u tranzistorů bipolárních (to znamená kolikrát se nám zvětší proud elektrodami C-E při dané změně proudu do báze), u tranzistorů unipolárních rozeznáváme tzv. strmost ( to znamená kolikrát se nám zvětší proud procházející elektrodami D-S při změně napětí na gate o určitou velikost). Tranzistory by se daly dělit i podle dalších aspektů, ale myslím že toto bude už stačit.
Jak to funguje?
Popíšeme si zjednodušeně činnost bipolárního tranzistoru:
Bipolární Bipolární tranzistor nazýváme tak proto, že se v jeho funkci účastní nosiče náboje obou polarit. Bipolární tranzistor se skládá ze dvou přechodů PN, které jsou odděleny je velmi tenkou vrstvou polovodiče. Podle toho, zda střední vrstva je typu P nebo typu N rozeznáváme bipolární tranzistory typu NPN nebo PNP. Bipolární tranzistor je třívrstvá součástka složená z různě dotovaných oblastí. Emitor je na rozdíl od báze o několik řádů více dotován, má mnohem více volných nosičů náboje. V případě NPN tranzistoru elektronů, a ty zaplaví tenkou oblast
báze. Uvažujme tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem. Zvyšováním kladného napětí mezi bází a emitorem (tj. kladný pól zdroje na bázi a záporný na emitoru) se ztenčuje oblast bez volných nosičů na rozhraní báze a emitoru. Okolo napětí 0,6 V až 0,7 V pro křemík (Si) a 0,2 V až 0,3 V pro germanium (Ge) začíná PN přechod báze-emitor vést elektrický proud. Tato část tranzistoru se chová jako klasická polovodičová dioda.
Přivedením kladného napětí mezi kolektor a emitor, začnou být přebytečné elektrony odsávány z báze směrem ke kolektoru. Přechod Báze kolektor je polarizován v závěrném směru. Přebytek elektronů je následně posbírán ve vyprázdněné oblasti přechodu kolektor-báze.
A zjednodušená funkce tranzistoru mosfet:
V kusu polovodiče typu N jsou dvě oblasti typu P a ty slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda G je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrstvou SiO2. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké záporné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, aby nastal elektrický průraz vrstvičky SiO2), vytvoří se na povrchu polovodiče typu N v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti P a tato inverzní vrstva propojí obě oblasti typu P (elektrody S a D) a mezi těmito elektrodami může procházet proud. Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál typu P, elektrody S a D vytvoříme oblastmi typu N a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat kladné napětí vůči elektrodě S. Podle toho, jaké vodivosti je inverzní vrstva, rozlišujeme tranzistory MOSFET s kanálem typu N a s kanálem typu P. Mnemotechnicky si můžeme pamatovat, že polarita napětí na kolektoru bipolárního tranzistoru NPN v zapojení SE je stejná jako na elektrodě D tranzistoru MOSFET s kanálem typu N, tedy kladná vůči emitoru nebo elektrodě S, a naopak záporná vůči emitoru nebo elektrodě S, jedná-li se o tranzistor typu PNP nebo MOSFET s kanálem typu P. Proto se také často používá označení K nebo C pro elektrodu D a E pro elektrodu S; je však třeba si uvědomovat, že oba druhy tranzistorů (bipolární a unipolární) pracují na zcela odlišných fyzikálních principech.U výše popsaného tranzistoru ¤ MOSFET nepoteče proud IDS mezi elektrodami D a S, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S. Je to tím, že inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor tedy nevede. Říkáme, že se jedná o tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží tedy (pro MOSFET s indukovaným kanálem typu P) v oblasti záporných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale nelze vzájemně zaměňovat typy MOSFET a JFET. Z tohoto důvodu byl vyvinut ještě jeden druh tranzistorů typu MOSFET, a sice MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem.
(zdroj: wikipedia)
A teď něco z historie.
S rostoucími nároky na elektronická zařízení rostla i jejich složitost, rozměry, váha a samozřejmě i cena. Osmnáctitisíci elektronkový počítač zaujímal prostor několika místností, cena elektronického vybavení bombardovacího letadla činila několikanásobek ceny samotného letadla. Se složitostí rostla i poruchovost a náročnost na obsluhu. Snaha zvýšit spolehlivost vedla ke zdvojování důležitých částí zařízení, takže ta byla ještě těžkopádnější. Bylo zřejmé, že pro další vývoj dosavadní prostředky nestačí a že bude nutno využít nových, kvalitativně odlišných 
materiálů a jejich vlastností. Na základě určitých předválečných zkušeností s polovodiči, padla volba právě na ně. A tak byl v lednu 1946 v Bellových telefonních laboratořích v USA založen "polovodičový" tým ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Hned v lednu 1946 udělali první zásadní rozhodnutí: svoji pozornost zaměřili na krystaly křemíku a germania a zcela ignorovali ostatní materiály používané v předchozích výzkumech. Ke konci roku 1947 se snažili modifikovat vlastnosti povrchové vrstvy germania elektrolyty obklopujícími kovové kontakty. Později nahradili elektrolyty napařeným zlatým bodem, vytvářejícím bodový kontakt. Brattain nakonec umístil kontakty na dva proužky zlaté fólie uložené těsně vedle sebe a zalisované do povrchu germania. Při zapojení do elektrického obvodu zjistil přírůstek energie: "tranzistorový" efekt byl objeven! To se stalo 16. prosince 1947, téměř po dvou a půl letech od založení týmu. Na Štědrý den byl nový vynález předveden vrcholovému managementu Bellových laboratoří (zapojení tvořilo oscilátor). Zveřejnění vynálezu však bylo odloženo o 6 měsíců, až do června 1948: jednak kvůli porozumění vynálezu a zejména k přípravě patentové "pozice". Fyzikální základy vynálezu však stále ještě nebyly jasné. . . Ale transfer resistor už byl na světě!
První krok k objasnění fyzikálních základů tranzistoru učinil Shockley svou formulací teorie pozitivně-negativních (p-n) přechodů a role, kterou hrálo vysílání (emitování) pohyblivých nosičů nábojů na jedné straně a jejich přijímání (sbírání) na protilehlé straně. Svoji analýzu brilantně zakončil vynálezem přechodového (plošného) tranzistoru, který si představoval jako sendvičové uspořádání slabé destičky materiálu typu n mezi dvěma oblastmi typu p (nebo naopak). O měsíc později - v únoru 1948 - udělal zásadní experiment John Shive: přiložil dva fosforbronzové kontakty k protilehlým stranám germaniové destičky silné 0,1 mm. Chování tohoto tranzistoru se přesně shodovalo s Shockleyovou teorií. Shockley pokračoval v jiném týmu spolupracovníků dál a po řadě pokusů dopracoval svoji přechodovou teorii a dal tak "tranzistorovému" jevu solidní základ (tuto teorii publikoval v roce 1950 v dnes klasickém díle Electrons and Holes in Semiconductors). 
Stručná podstata Shockleyovy přechodové teorie spočívá ve vhodném uspořádání oblastí typu p a n. Co jsou tyto oblasti? Zcela čistý polovodičový materiál (tj. materiál, kde na zhruba 100 miliónů atomů čistého polovodiče připadá 1 atom nečistot) má elektrický odpor niminálně třicetpětmiliónkrát větší (germanium, křemík ještě asi čtyřtisíckrát větší) než je odpor mědi.Přidá-li se však nepatrné množství příměsí (řádově 10 000 000:1), vzroste vodivost o několik řádů a zejména se objeví kvalitativně nové vlastnosti. Např. přidají-li se k chemicky čtyřmocnému germaniu stopy pětimocného arsenu, vznikne tzv. polovodič (oblast) typu n, jehož vodivost je způsobena přebytkem elektronů (tzv. elektronová vodivost). Naopak, přidá-li se pouze trojmocné indium, vznikne polovodič (oblast) typu p, jehož vodivost je způsobena nedostatkem elektronů (tzv. děrová vodivost). Spojí-li se tyto oblasti např. v pořadí n-p-n, a přiložíme vhodně (-,+,+) póly zdrojů napětí, budou elektrony volně přecházet z levé oblasti n (emitor) do střední oblasti p (báze) a odtud do pravé oblasti n (kolektor), přičemž proud procházející kolektorem bude mnohonásobně větší než proud emitoru. Takto zapojený tranzistor tedy funguje jako zesilovač.
Teorie byla tedy jasná, nicméně existovaly tu dva druhy konstrukčního provedení tranzistorů, žádné však ještě nebylo zralé pro průmyslovou výrobu. V prvém případě se jednalo o tzv. hrotový tranzistor (tj. typ vytvořený jako první), v druhém o plošný (přechodový) tranzistor vytvořený Shockleyem. Hrotový byl za stávajícího stavu vývoje dříve vyrobitelný, měl však mnoho nedostatků. zejména to byl velký rozptyl elektrických vlastností, s trochou nadsázky by se dalo říci, co kus to originál. Přesto se později vyráběly více než 10 let, např. jako telefonní oscilátory nebo naslouchadla pro nedoslýchavé (ta musela být pro svou špatnou kvalitu stažena z trhu).V druhém případě se jednalo o plošné tranzistory, jejichž vlastnosti byly v předpokládaných mezích, byly však složitější na výrobu a náročnější na jakost materiálu.
Jak už bylo konstatováno na začátku, materiály se používaly dva: germanium a křemík. Už od začátku se vědělo, že křemík má vhodnější vlastnosti. Je např. energeticky výhodnější, je méně závislý na změně teploty a proud v závěrném směru je menší. Zpočátku však výrobu křemíku požadované kvality ztěžoval náročný chemický a metalurgický proces. Např. tavicí teplota křemíku je 1415 °C ve srovnání s 937 °C germania. Teprve v roce 1953 se našel způsob výroby křemíku zaručující čistotu porovnatelnou s čistotou germania.
Mezitím (v roce 1952) Bellovy laboratoře prodaly patentní práva na tranzistor každé společnosti, která byla ochotna za ně zaplatit 25 000 $.
První komerčně vyráběné křemíkové tranzistory (1954)
Hromadné výrobě tranzistorů už nic nestálo v cestě. V roce 1952 se tloušťku destičky báze podařilo snížit na 10 mikrometrů a tím se podařilo zvýšit mezní kmitočet tranzistoru na 10 MHz, v roce 1954 byl vyroben první difusní germaniový mesa tranzistor s mezním kmitočtem 500 MHz a o rok později i křemíkový. V roce 1956 dostává původní "tranzistorový" tým Nobelovu cenu . . .
Jack Kilby demonstruje svůj první integrovaný obvod (1958)
Další vývoj k miniaturizaci v této oblasti byl uspíšen ruským úspěchem s prvními družicemi Země typu Sputnik. Vznikl tzv. integrovaný obvod. První úspěch zaznamenal Jack Kilby koncem srpna 1958. Jeho integrovaný obvod byl tvořen miniaturními rezistory, kondenzátory, diodami a tranzistory na jediné křemíkové destičce. Vzájemné propojení bylo provedeno "klasicky": dráty. V lednu příštího roku se o totéž pokusil Robert Noyce: ten však vytvořil spoje fotografickou cestou a leptáním hliníkové nebo zlaté fólie. Soupeření o autorská práva mezi oběma vynálezci a jejich společnostmi trvalo až do poloviny 60. let, tedy déle, než vlastní vývoj . .
(zdroj: http://www.quido.cz/objevy/tranzistor.htm)
První integrovaný obvod
Zajímavosti a milníky vy vývoji tranzistoru
• 16. prosince 1947: William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain z Bell Labs úspěšně vyrobili první tranzistor
• 1950: William Shockley vyvinul první bipolární tranzistor, tedy zařízení dnes nejčastěji označované jako tranzistor
• 18. října 1954: První tranzistorové rádio Regency TR1 bylo uvedeno na trh. Obsahovalo čtyři tranzistory z germania
• 25. dubna 1961: První patent získal Robert Noyce za integrovaný obvod. Původní tranzistory dostačovaly pro použití v rádiích a telefonech, ale pro potřeby elektroniky bylo zapotřebí něčeho menšího – integrovaného obvodu
• 1965: Je definován Mooreův zákon – Gordon Moore předvídá, že počet tranzistorů na čipu se bude každý rok zdvojnásobovat (o deset let později periodu upravil na dva roky). Tento svůj názor uveřejnil v článku v časopise Electronics Magazine. O tři roky společně s Bobem Noycem založili společnost Intel. Název je zkratkou sousloví „integrovaná elektronika“.
• 1969: Intel úspěšně vyvíjí první křemíkovou PMOS. Tyto tranzistory i nadále používají jako dielektrikum tradiční oxid křemičitý (SiO2), ovšem jsou zaváděny nové polykřemičité elektrody.
• 1971: Intel představuje první mikroprocesor – 4004. Obsahoval 250 tranzistorů a byl vyráběn technologií 10 mikronů na 6 cm silných destičkách.
• 1985: Na trh je uveden mikroprocesor Intel386 – ten obsahuje 275 000 tranzistorů, což je stokrát více, než měl původní 4004. Mikroprocesor byl 32bitový a zvládal multitasking, takže uměl provozovat více programů současně. Původně byl vyráběn za pomoci CMOS technologie 1,5 mikronu.
• 13. srpna 2002: Intel představil několik technologických novinek v chystané 90nm technologii včetně vysoce výkonných nízkoenergetických tranzistorů, technologii „strained silicon“, vysokorychlostní měděné spojení a nový dielektrický materiál low-k. Jde o první proces v odvětví, který implementuje „napnutý křemík“ do výroby.
• 29. ledna 2007: Intel představuje nové materiály pro tranzistory: high-k a metal gate. Ty budou použity pro výrobu izolačních stěn a přepínacích bran na stovkách milionů mikroskopických tranzistorů (45nm) uvnitř nové generace procesorů Intel Core2 Duo, Intel Core 2 Quad a Xeon – pod kódovým označením Penryn.
• 3. května 2011: Intel oznamuje, že do sériové výroby uvedl nový tranzistor Tri-Gate
Zajímavosti
• První tranzistor, který v roce 1947 vyrobila společnost Bell Labs, byl tak velký, že se skládal dohromady ručně. Pro srovnání: na špendlíkovou hlavičku by se vešlo přes 100 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.
• Do tečky na konci této věty by se vešlo přes 6 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.
• Brány 22nm tranzistoru Tri-Gate jsou tak malé, že do šířky lidského vlasu se jich vejdou 4 tisíce.
• Kdyby se lidská obydlí zmenšovala jako tranzistory, nebyla by dnes viditelná bez mikroskopu.
• Ve srovnání s prvním mikroprocesorem Intel, jímž byl model 4004 uvedený v roce 1971, pracuje 22nm CPU 4000krát rychleji a každý tranzistor spotřebuje 5000krát méně energie. Cena tranzistoru klesla zhruba 50 000krát.
• 22nm tranzistor se dokáže přepnout 100miliardkrát za sekundu. Kdybyste tolikrát chtěli rozsvítit a zhasnout, trvalo by vám to 2000 let.
• Továrny společnosti Intel vyrábějí před 5 miliard tranzistorů každou sekundu. To je 150 000 000 000 000 000 tranzistorů ročně neboli přes 20 milionů tranzistorů na každého muže, ženu a dítě žijící na naší planetě.
Zdroj (http://businessworld.cz)
Aby jste mohli získat finálku budete muset odpovědět na pár otázeček, ale nebojte všechny odpovědi jsou v textu.
1) Jaké dvě základní polarity bipolárních tranzistorů rozlišujeme
a) PPN a NNP (A=9)
b) NPN a PPN (A=0)
c) NPN a PNP (A=6)
d) je pouze jedna polarita (A=3)
2) Kdy byl vyroben první tranzistor
a) 1840 (B=2)
b) 2004 (B=5)
c) 1947 (B=8)
d) ještě vynalezen nebyl (B=0)
3) Jaký typ technologie výroby tranzistoru nejčastěji nalezneme v moderních zařízeních
a) žádný, zařízení jsou elektronkové (C=7)
b) unipolární (C=4)
c) bipolární (C=3)
d) bezpolaritní (C=1)
4) jak je řádově velký jeden tranzistor v procesoru počítače
a) řádově cm (D=9)
b) řádově km (D=6)
c) řádově mm (D=1)
d) řádově nm (D=5)
5) kdo vyrobil první inregorvaný obvod
a) Thomas Alva Edison (E=5)
b) Jack Kilby (E=2)
c) Nikola Tesla (E=0)
d) Bill Clinton (E=7)
6) Jaké elektrody rozlišujeme u bipolárního tranzistoru
a) BCE (F=3)
b) GDS (F=8)
c) KAG (F=9)
d) EFG (F=2)
7) který z tranzistorů je řízen proudem do řídící elektrody (unipolární / bipolární)
a) unipolární (G=6)
b) bipolární (G=7)
c) oba (G=4)
d) žádný (G=0)
8) Jaký materiál byl použit na výrobu prvního tranzistoru
a) galium (H=3)
b) germanium (H=2)
c) berilium (H=8)
d) wolfram (H=7)
Finální cache naleznete na souřadnicích
N 49°5(C.EAH') E 016°2(D.BGF')
!!!Na cestu si zapište ještě písmena BHC (od zvrchu dolů) a písmena FDGE (z leva do prava)!!!
K finálce se prosím chovejte ohleduplně, dalo dost práce jí realizovat.
V cachi není tužka! Nu co, ani jí potřebovat nebudete.
Když si nebudete vědět rady, ve finálce naleznete i návod.
Doporučuji odlov cache ve večerních hodinách, nebo za šera.
Tak přeji hodně zdaru při lovu a snad se bude finálka líbit.
