Vynález polovodičového tranzistoru na konci 40. let 20. století představoval revoluční krok v rozvoji technologií, jehož dopad je patrný dodnes. Sedmdesátá léta minulého století byla obdobím, kdy tranzistory začaly ve velké míře nahrazovat elektronky v mnoha aplikacích, ačkoli elektronky si stále udržují své místo v specifických oblastech, jako je audio technika, mikrovlnné technologie a vojenská komunikační zařízení, kde jsou ceněny pro svůj specifický zvukový projev nebo výkonové charakteristiky.
Ve srovnání s elektronkami nabízejí tranzistory výrazně nižší spotřebu proudu a jejich malé rozměry umožňují zmenšení velikosti elektronických přístrojů. Tranzistory mohou existovat jako jednotlivé, diskrétní součástky, ale co je klíčové, tvoří vnitřní strukturu téměř každého integrovaného obvodu. Od operačních zesilovačů, které mohou obsahovat desítky tranzistorů (např. LM741 s 20 tranzistory), až po procesory osobních počítačů, kde moderní výrobní technologie umožňují integrovat desítky miliard tranzistorů do jediného čipu.
Základní funkce, které tranzistory v elektronických obvodech plní, jsou dvě: spínání a zesilování elektrických signálů. V režimu spínání umožňují tranzistory řídit tok elektronů v obvodu, zapínat a vypínat elektrické obvody. V režimu zesilování se využívá jejich schopnosti přenášet a zesilovat signály s nízkou amplitudou.
Dalším významným krokem po vynálezu tranzistorů byl vývoj integrovaných obvodů, které sdružují velké množství miniaturních tranzistorů. Nicméně, vytváření prototypů elektronických obvodů z diskrétních součástek, včetně jednotlivých tranzistorů, zůstává oblíbené, například v oblasti audio zesilovačů.
Jedním z nejběžnějších typů tranzistorů v moderní elektronice jsou bipolární tranzistory (BJT), známé také jako přechodové tranzistory. Tyto součástky se skládají ze dvou polovodičových přechodů typu p-n, vytvářejících třívrstvou strukturu. Vodivé oblasti jsou vyvedeny jako emitor (E), báze (B) a kolektor (C). Každý bipolární tranzistor má dva přechody: báze-emitor (B-E) a báze-kolektor (B-C).
Bipolární tranzistory jsou proudově řízené součástky. Přivedením vhodného napětí na bázi vůči emitoru (s omezením pomocí rezistorů) se polarizuje přechod báze-emitor a spustí se tok proudu. V závislosti na typu tranzistoru (NPN nebo PNP) je spouštěcí napětí kladné nebo záporné.
Bipolární tranzistory mohou pracovat ve třech základních stavech:
Malým proudem báze (IB) protékajícím otevřeným přechodem báze-emitor lze spustit mnohonásobně větší kolektorový proud (IC), což umožňuje použití tranzistoru jako zesilovače nebo spínače. Kolektorový rezistor (RC) slouží jako zátěž a omezuje kolektorový proud při plně otevřeném tranzistoru, zatímco bázový rezistor nastavuje velikost proudu báze (IB), který tranzistor otevírá.
Při spínání lze bázovým proudem IB řídit kolektorový proud IC. V sepnutém stavu je napětí mezi kolektorem a emitorem (UCE) velmi nízké (několik desetin voltu), což znamená, že tranzistor je v saturaci a tepelné ztráty jsou minimální. Potenciometrem v bázi lze plynule regulovat proud báze, a tím i kolektorový proud a jas připojené zátěže, jako je žárovka. V režimu regulace však mohou vznikat značné tepelné ztráty, proto se výkonové tranzistory musí chladit.
Kondenzátory na vstupu a výstupu zesilovače oddělují stejnosměrné složky a propouštějí pouze střídavé signály. Rezistory R1, R2 a R3 nastavují tzv. pracovní bod tranzistoru, tedy klidový proud kolektorem při nulovém vstupním signálu.
Tranzistory určené pro vysoké výkony mají obvykle nízký zesilovací činitel (kolem 10). Pro dosažení vysokého zesílení se používají Darlingtonovy obvody, kde jeden, méně výkonný tranzistor budí druhý, výkonový tranzistor. Výstupní charakteristika tranzistoru ukazuje, že pro daný bázový proud kolektorový proud prudce roste s rostoucím napětím kolektor-emitor až do stavu saturace, kdy se již téměř nemění.
Při provozu tranzistoru je nutné dodržovat maximální povolené hodnoty napětí, proudu a ztrátového výkonu udávané výrobcem, aby nedošlo k jeho zničení. Zvýšená teplota může vést k uvolňování dalších volných nosičů a nárůstu kolektorového proudu. Pro zpracování vysokofrekvenčních signálů se používají speciální vysokofrekvenční tranzistory.
Různá zapojení tranzistorů nabízejí odlišné vlastnosti:
Kromě bipolárních tranzistorů jsou velmi oblíbené i unipolární tranzistory, známé jako tranzistory s polem účinku (FET). Na rozdíl od BJT jsou to napětím řízené součástky.
Vodivý kanál tranzistoru může být typu n nebo typu p. Řídicí elektroda, nazývaná hradlo (gate), je vyrobena z polovodiče opačného typu vodivosti. Například u FET s kanálem typu n je hradlo z polovodiče typu p. Mezi hlavní podtypy FET patří MOSFET a J-FET, které se liší konstrukcí hradla.
Přivedením vhodného prahového napětí mezi hradlo a zdroj (source) se tranzistor sepne. U FET typu n je spouštěcí napětí kladné, u typu p záporné. U MOSFETů je hradlo izolováno od kanálu drain-source tenkou vrstvou oxidu křemíku. Překročení přípustného řídicího napětí (obvykle kolem 20 V) může vést k nevratnému poškození tranzistoru.
Hlavní výhodou unipolárních tranzistorů (zejména MOSFETů) je nekonečný vstupní odpor a nulový řídicí proud, což je činí ideálními pro mnoho aplikací.
Rozsah praktických aplikací tranzistorů je téměř neomezený. Kombinací tranzistorů s dalšími součástkami, jako jsou diody, rezistory a kondenzátory, lze vytvářet širokou škálu elektronických obvodů.
Mezi nejběžnější aplikace patří:
Tranzistory jsou dnes základním prvkem jak spotřební, tak nespotřební elektroniky, zahrnující televize, rádia, počítače a mobilní telefony. Výkonové tranzistory jsou klíčové ve výkonové elektronice, jako jsou spínané zdroje, frekvenční měniče, moderní zdroje světla (LED), trakční vozidla, hybridní automobily a obnovitelné zdroje energie.
Vědecký výzkum neustále posouvá hranice možného. Jedním z fascinujících směrů je vývoj optických tranzistorů, které by nahradily elektronické spínání světelným. Tyto technologie by mohly vést k dalším revolučním změnám v elektronice a výpočetní technice, zejména v oblasti kvantových počítačů.
Tým z MIT (Massachusetts Institute of Technology) demonstroval jednoduchý princip optického tranzistoru, který využívá interakci světla s cesiovými atomy v rezonanční dutině. V tomto experimentu se světlo (foton) chová jako řídicí signál, který mění vlastnosti optických „spínačů“.
V dosaženém experimentu se světelný paprsek odrážel mezi zrcadly. Když na bázi tranzistoru (v tomto případě reprezentovanou interakcí s cesiovými atomy) dopadl foton, došlo ke změně vlastností rezonanční dutiny, což způsobilo, že světlo přestalo procházet - tranzistor se vypnul (logická nula). Bez dopadu fotonu byl tranzistor sepnutý a světlo procházelo (logická jednička).
Tento princip by v budoucnu mohl být realizován i na bázi polovodičů, kde by jediný foton mohl ovlivnit vlastnosti polovodiče a fungovat tak jako optický spínač. Optické tranzistory by mohly být klíčovou součástí budoucích optických počítačů a zařízení, která by využívala principy kvantové mechaniky, jako je superpozice stavů a kvantová interference.
Kvantová mechanika, která popisuje svět na mikroskopické úrovni, se liší od klasické fyziky makrosvěta. Koncepty jako kvantová superpozice (možnost být ve více stavech současně) a kvantová interference (skládání amplitud pravděpodobnosti) jsou základem fungování kvantových počítačů. Základní jednotkou informace v kvantovém počítači je qubit, který může reprezentovat nejen 0 nebo 1, ale i jejich superpozici.
Další pokročilou oblastí je kvantové propletení (entanglement), kdy dvě nebo více částic sdílejí společný osud bez ohledu na vzdálenost. Měření stavu jedné částice okamžitě ovlivní stav druhé, což otevírá dveře k novým formám komunikace a výpočtů.
Vývoj optických tranzistorů a kvantových technologií představuje další krok v evoluci výpočetní techniky, kde světlo a kvantové jevy nahradí tradiční elektronické signály.
Tento článek se zaměřuje na tranzistory, ale pro úplnost je vhodné zmínit i další základní elektrotechnické součástky, které tvoří páteř elektroniky.
Polovodiče jsou materiály, nejčastěji ze 4. skupiny periodické tabulky (např. křemík, germanium), jejichž elektrická vodivost leží mezi vodiči a izolanty. V čistém stavu vedou špatně. Jejich vodivost lze řídit přidáním tzv. příměsí:
Dioda je polovodičová součástka se dvěma vývody (anoda a katoda), která vede proud pouze v jednom směru. Je tvořena přechodem P-N. V propustném směru (kladné napětí na anodě, záporné na katodě) se potenciálový val zruší a proud prochází. V závěrném směru je potenciálový val posílen, proud neprotéká (kromě malého zbytkového proudu). Dioda má prahové napětí (např. 0,6-0,7 V pro křemíkové diody), které musí být překročeno pro rozběh proudu v propustném směru.
Kondenzátor je součástka schopná vázat elektrický náboj. Skládá se ze dvou vodivých desek oddělených izolantem (dielektrikem). Jednotkou kapacity je farad (F). Kondenzátory se používají k ukládání energie, filtraci signálů a v rezonančních obvodech. V obvodu střídavého proudu kondenzátor klade odpor nazývaný kapacitní reaktance (Xc), který klesá s rostoucí frekvencí. Proud v kondenzátoru předbíhá napětí o 90°.
Cívka působením elektrického proudu vytváří magnetické pole, které v ní indukuje napětí působící proti změně proudu (Lencův zákon). Jednotkou indukčnosti je henry (H). Cívka klade střídavému proudu odpor nazývaný indukční reaktance (XL), který roste s frekvencí. Napětí na cívce předbíhá proud o 90°.
Tranzistor, jako základní stavební prvek elektroniky, umožňuje zesilovat napětí a proud, což je jeho klíčová vlastnost. Používá se jak jako diskrétní součástka, tak jako základní stavební kámen integrovaných obvodů. Dle principu činnosti se rozlišují bipolární (NPN, PNP) a unipolární (FET, MOSFET) tranzistory.
tags: #tranzistorova #bytova #jednotka