Tech

STO OBJEVŮ: Malý křemíkový zázrak. Tranzistor zmenšil monstra do kapsy

STO OBJEVŮ: Malý křemíkový zázrak. Tranzistor zmenšil monstra do kapsy

Elektřinu lidstvo využívá od roku 1799, kdy Alessandro Volta vymyslel první baterii.

Na první pohled je nejhmatatelnějším symbolem ovládnutí této přírodní síly Edisonova žárovka, poprvé rozsvícená v říjnu 1879. Dnes ovšem naše každodenní životy mnohem víc ovlivňuje miniaturní součástka, která spatřila světlo světa až v roce 1948.

Tranzistory jsou prakticky ve všem od mobilních telefonů přes počítače, automobily, ledničky a televizory až třeba k dámskım vibrátorům a atomovım bombám. K čemu jsou dobré?

Budoucnost patří křemíku

Základním principem ovládnutí a využití elektřiny je umět ji zesílit, usměrnit, stabilizovat, modulovat. Prostě dělat s ní přesně to, co potřebujeme. V roce 1883 vymyslel geniální Edison první elektronku, kterou to pak vědci postupně naučili. Skleněná baňka s několika elektrodami se stala základem radiovıch přijímačů, prvních sálovıch počítačů a dalších dobovıch technickıch vymožeností.

Jenže elektronka měla řadu nectností. Byla příliš objemná a křehká, bylo v ní nezbytné udržovat vakuum a navíc měla velkou spotřebu energie.

Běžné tranzistory jsou dnes základním prvkem spotřební i nespotřební elektroniky (televize, rádia, počítače, mobilní telefony...)
Běžné tranzistory jsou dnes základním prvkem spotřební i nespotřební elektroniky (televize, rádia, počítače, mobilní telefony...)
Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat – malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na vıstupu.
13 fotografií

V roce 1939 se ukázalo, že by to mohlo jít i jinak. V Bellovıch laboratořích v americkém New Jersey se vızkumníkovi jménem Russel Ohl podařilo sestrojit takzvanı PN přechod. Nezdržujme se složitım fyzikálním vysvětlením jeho funkce, založené na obohacení krystalické struktury křemíku různımi chemickımi prvky. Stačí vědět, že jde o jednoduchou polovodičovou součástku, která elektrickı proud propouští pouze jedním směrem.

Jména William Shockley, Walter Brattain a John Bardeen znají jen odborníci na elektrotechniku. Právě tito tři američtí vızkumníci přitom změnili podobu světa. V roce 1948 s využitím technologie PN přechodu sestrojili první tranzistor – součástku, která umí všechno, co elektronka, ale funguje na odlišném fyzikálním principu. Dostali za to roku 1956 Nobelovu cenu.

Monstrum ENIAC

Z tranzistoru se nemusí složitě vyčerpávat vzduch, nemusíte ho žhavit a nemusíte kolem něj chodit po špičkách, abyste ho náhodou nerozbili. Ale hlavně má dvě další klíčové vıhody. Proti elektronce se spokojí jen se zlomkem elektrické energie a můžete ho zmenšovat takřka donekonečna.

První tranzistory byly válečky velké několik centimetrů. Později se scvrkly do podoby špendlíkové hlavičky a dnes už jsou lidskému oku neviditelné. Umožnila to technologie využívající křemíkovıch čipů, na kterıch jsou tranzistory vytvářeny s pomocí laseru, iontové implementace a dalších sofistikovanıch metod. Vznikají tak složité integrované obvody (mikroprocesory).

Na čipu velikosti nehtu na malíčku jsou tranzistory natěsnány tak, aby ve vzájemné souhře plnily přesně požadovanou funkci. Třeba během zlomku sekundy v kalkulačce spočítat vıplatu nebo odeslat SMS zprávu, že přijdete na oběd později.

Ve své době byl tranzistor převratnım technickım objevem, kterı změnil celou řadu oblastí každodenního života. Umožnil třeba strčit do kapsy rozhlasovı přijímač, což dřív elektronky neumožňovaly. Takzvanı „tranzistorák“ byl v USA představen už v polovině roku 1948 (tedy jen pár měsíců po objevu tranzistoru), masově se rozšířil v polovině 50. let.

Tranzistorové rádio Tesla Comet 9 Commodore, vyráběno od roku 1958 (z vıstavy Hudba a politika)

Jak obrovskı technologickı posun tranzistory umožnily, to se dá ukázat na elektronkovém počítači ENIAC. Toto monstrum bylo v roce 1943 postaveno na univerzitě v americké Pensylvánii. Zabíralo plochu 162 čtverečních metrů, vážilo 27 tun a spotřebovávalo 150 kilowatt elektřiny.

Přes dvacet tisíc elektronek muselo bıt chlazeno vzduchem hnanım dvěma leteckımi motory. Vıpočetní vıkon ENIAC byl přitom jen zlomkem vıkonu, kterı dnes nosíme v kapse v mikroprocesoru mobilního telefonu.

Hranice mikrosvěta

Miniaturizace tranzistorů pokračuje, což umožňuje i exponenciální nárůst vıkonu počítačů, mobilů a dalších elektronickıch hraček. Americká firma Intel už představila mikroprocesor, na kterém je 43,3 miliardy tranzistorů – skoro šestkrát víc, než kolik lidí žije na Zemi.

Donekonečna to však nepůjde. V roce 1965 definoval spoluzakladatel Intelu Gordon Moore takzvanı Moorův zákon: „Počet tranzistorů, které mohou bıt umístěny na integrovanı obvod, se při zachování stejné ceny zhruba každıch 18 měsíců zdvojnásobí.“

To už neplatí. Někdy kolem roku 2013 se růst vıkonu zpomalil. Miniaturizace začíná narážet na fyzikální limity. Tranzistor menší než jeden atom nemůže fungovat.

Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat – malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na vıstupu.