Tranzistory, ich história a trocha teórie

Tranzistory sú základným prvkom všetkých moderných počítačov, smartfónov ale aj jednoduchších logických hradiel či zosilňovačov. Ako však fungujú?

Čo je tranzistor?

Tranzistor je polovodičová súčiastka – teda taká, ktorá sa dokáže správať ako vodivá alebo aj ako nevodivá. Existujú dva základné typy tranzistorov:

1. Unipolárne tranzistory (označované ako FET – Field Effect Transistor )
2. Bipolárne tranzistory (označované ako BJT – Bipolar Junction Transistor)

V praxi sa najčastejšie používajú tieto dve zapojenia tranzistora:

• Keď sú zapojené ako spínače, teda keď ich chceme použiť ako jednoduché ON/OFF prepínače, napríklad pre zapnutie a vypnutie LED-diódy.
• Keď sú zapojené ako zosilňovače, teda napríklad v audio zariadeniach – nevýkonný vstupný signál z AUX kábla sa zosilní a riadi na výstupe veľké reproduktory.

Ako to bolo kedysi

Prvý tranzistor bol vyrobený v USA v Bellových laboratóriách v roku 1947 a odvtedy zmenil smerovanie počítačových technológií.

Pred vynájdením tranzistora sa v prvých počítačoch používali elektrónky (napríklad v počítači ENIAC) alebo relé moduly. Jednalo sa však o pomerne veľké súčiastky, takže počítače boli obrovské stroje zaberajúce aj niekoľko miestností, extrémne drahé a často sa kazili. Mimochodom slovo bug označujúce chybu programu pochádza z anglického slova chrobák. Je to z toho dôvodu, že v prvých počítačoch sa stávalo, že chrobáky sa dostali do elektroniky a bolo ich nutné fyzicky vybrať aby sa obnovila funkčnosť.

Aj prvý tranzistor bol pomerne veľký a drahý, vyrobený pomocou zlata a germánia. Postupne sa však prechádzalo na kremíkové tranzistory, ktoré sa zmenšovali, integrovali do obvodov a po asi 70 rokoch sme sa dostali do fázy, kedy jeden tranzistor v moderných PC má šírku asi 50-100 atómov a je možné si ho bežne kúpiť aj na Alze integrovaný v procesore Intel i9 či iných.

Ako tranzistor vyzerá

Tranzistory sú spravidla 3 pinové súčiastky, Veľmi zjednodušene môžeme povedať:
1. Vstupný pin
2. Výstupný pin
3. Riadiaci pin

Signál na riadiacom pine slúži pre vodivé spojenie vstupného a výstupného pinu. Ak riadiaci pin nie je aktivovaný, žiadny elektrický prúd medzi vstupným a výstupným netečie.

Moderné kremíkové tranzistory sa vyrábajú pomocou prímesí do kremíkovek kryštálovej mriežky, kedy vznikajú rôzne časti tranzistora – označujú sa ako P a N.

Časť tranzistora N je kremíková mriežka dotovaná fosforom, ktorý má viac elektrónov, teda negatívnych častíc. Označujeme ho N ako “negative”. Časť tranzistora P je dotovaná atómami bóru, ktorý má menej elektrónov ako kremík a vzniká kladná časť P, teda “positive”. Pri samotnej výrobe môžu byť použité aj iné dopovacie prvky a rôzne pomery dopovania.

Keď spojíme dva tieto typy dohromady, dostávame prechod NP (alebo PN, podľa toho, z ktorej strany sa na to pozrieme) a tak vznikne dióda – správne, dióda je vlastne taký nedokončený tranzistor. Dióda umožňuje prechod elektrického prúdu len v smere PN (od plusu k mínusu). Ak by sme zapojili zdroj naopak – plus na N a mínus na P – netečie žiaden prúd.

Keď spojíme 3 tieto časti, dostávame BJT tranzistor. Buď NPN alebo PNP, podľa toho, ktoré typy použijeme.

Tranzistory teda delíme podľa použitých prechodov. Pri BJT tranzistoroch rozlišujeme NPN a PNP, pri MOSFET N-kanálový a P-kanálový variant.

BJT tranzistory

BJT (Bipolar Junction Transistor) tranzistory sa označujú ako tranzistory ovládateľné elektrickým prúdom. Tak ako sme spomínali vyššie, existujú 2 typy BJT tranzistorov NPN a PNP (podľa toho, v akom poradí sú vyrobené prechody), rozlišujú sa aj schematickou značkou. Piny BJT voláme:
E – emitor
B – báza
C – kolektor

To aký prúd preteká cez kolektor je riadené prúdom na bázovom pine. BJT tranzistory sú charakterizované tzv. parametrom Beta (označuje sa ako Hfe). Je to bezrozmerná jednotka a označuje, koľko krát sa zosilní prúd. Ak máme BJT tranzistor s Beta Hfe = 100, pri bázovom prúde 10mA bude kolektorový prúd približne 100x väčší, teda 1000 mA.

Ak Vás zaujíma použitie v praktickom zapojení, prejdite na tento blog o zapojení BJT tranzistorov.

MOSFET tranzistory

Aj MOSFET-y majú 3 piny, volajú sa však inak ako pri BJT, keďže sa jedná o inú technológiu, princíp je ale veľmi podobný. FET tranzistory, medzi ktoré sa MOSFET-y radia (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), sú napäťovo ovládané tranzistory. Podobne ako pri BJT, aj tu existujú dva typy – N-kanálový a P-kanálový MOSFET tranzistor. Piny označujeme ako:
D – Drain
G – Gate
S – Source

Moderné procesory sú postavené zo státisícov a niekedy až miliárd MOSFET tranzistorov. Hlavný čip Arduino UNO – ATmega328P má rádovo 100 000 MOSFET tranzistorov, z ktorých je poskladaná celá logika a pamäť procesora. V samotnom procesore Apple M1 môže byť týchto tranzistorov viac ako 16 000 000 000 (pri použití 5 nanometrovej technológie).

Pomocou napätia na pine Gate vieme vodivo prerušiť/spojiť piny Drain a Source. Tranzistory sú teda napäťovo ovládané, keďže otvorenie/zatvorenie tranzistora je riadené elektrickým napätím a nie prúdom ako pri BJT. Hlavnou charakteristikou v datasheetoch je teda Vth (voltage threshold) na pine Gate. Jedná sa o napätie, ktoré keď prekročíme, tranzistor vodivo spojí piny Drain a Source. Zvyčajne je rádovo v jednotkách voltov, napríklad IRF520 má parameter Vth=2.0-4.0V. V datasheete nie je hodnota zadaná presne ale ako rozmedzie od 2 – 4V. Je to z dôvodu nedokonalosti výroby a každý kus teda môže byť jemne odlišný. Všetky sú však kompatibilné s 5V napätím na doskách Arduino.

Ak Vás zaujíma použitie v praktickom zapojení, prejdite na tento blog o zapojení MOSFET tranzistorov.