Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


Nejužitečnější vánoční dárek 20. století. Tranzistor slaví 65 let

aktualizováno 
Přesně před 65 lety, den před Štědrým dnem, předvedli světu tři inženýři první polovodičový zesilovač. Od roku 1948 mu říkáme tranzistor. Svět se měl naprosto změnit. Chvilku to však trvalo. Nejprve totiž museli všichni pochopit, co nová technologie dokáže.

První československý tranzistorový radiopřijímač vyráběný firmou TESLA. Nesl označení 2800B T58. | foto: dobová reklama

Bez tranzistorů by byl svět jiný. Jen společnost Intel jich například za rok 2011 vyrobila tolik, že při rovnoměrném rozdělení produkce mezi obyvatele Země by na každého z nás připadlo 20 milionů tranzistorů. Přestože byl tranzistor vynalezen už v roce 1947, lidé geniálnost výrobku ocenili až v roce 1954. Tehdy přišlo na trh první tranzistorové rádio Regency TR-1 a stalo se vánočním hitem.

Dlouhá cesta k tranzistoru

Průmyslové využití elektřiny začalo na konci 19. a počátkem 20. století využitím elektrické energie jako zdroje mechanické síly k pohonu telegrafního pisátka, dopravních prostředků, elektromobilů, tramvají, drážních lokomotiv apod. Také poháněla zdroje světla, nejprve v obloukové lampě a pak v žárovce nebo zářivce.

Zásadní zlom využití elektřiny nastal po postupném odhalení existence elektromagnetických vln, které se šíří prostorem nejen jako světlo, ale i jako jiné druhy záření. Badatel Michael Faraday je vizionářsky předpověděl, James Clerk Maxwell matematicky dokázal a Heinrich Rudolf Hertz s Nikolou Teslou využili prakticky. Slávu v podobě Nobelovy ceny a patentů pro komerční využití i bohatství získal až Guglielmo Marconi.

Přichází elektronka

Rozvoj bezdrátového spojení včetně rozhlasu byl umožněn mimo jiné sestrojením elektronky. Už T. A. Edison si povšiml, že když žárovkovou baňku protne drátem, prochází vzduchoprázdnem mezi svítivým rozžhaveným vláknem a vodičem elektrický proud. Dalším vývojem vzniklo zařízení, které umožňovalo tok elektronů (objeveny v roce 1897, před tím se jim říkalo elektrické fluidum) vakuem zvyšovat nebo zeslabovat jen velmi malou změnou napětí v mřížce, umístěné mezi horkou a studenou elektrodou. Nejdůležitější elektronická součástka první poloviny 20. století byla na světě: elektronka.

Slabounké vlny zachycené anténou rádiového (bezdrátového) přijímače měnily napětí na mřížce tak, že proud procházející elektronkou osciloval ve stejné frekvenci, ale s mnohem vyššími hodnotami proudu, který bylo možno účinně přeměnit v reproduktoru na zvukové vlny či jinak zpracovávat.

Takto vypadá elektronka.

Takto vypadá elektronka.

Fotografie pracující elektronky ozřejmuje názorně činnost součástky. Rozžhavené elektrody, katody, zde jsou dvě. Emitují (uvolňují) elektrony, které putují vzduchoprázdnem kolem mřížky ve formě spirálovitě svinutého drátu k chladné anodě.

Velkou nevýhodou elektronek byla vysoká spotřeba elektrické energie na žhavení záporné elektrody (katody), citlivost na mechanické poškození nárazy, velikost a složitá výroba s využíváním hlubokého vzduchoprázdna. Přes všechna úskalí se technikům dařilo vyvinout celou řadu moderních přístrojů: na svou dobu dokonalé rozhlasové a televizní vysílače i přijímače, radary a první výpočetní stroje s rozličnými druhy elektronek. Zejména při vývoji a výrobě počítačů se projevovaly záporné vlastnosti vakuové elektroniky.

První elektronkový počítač ENIAC z roku 1946 byl osazen 17 468 elektronkami, využíval 7 200 krystalových diod a množství dalších součástek, měl hmotnost 30 tun, objem 63 krychlových metrů a příkon 150 kilowattů. Rozvoj výpočetní techniky tak na svém počátku narazil na v podstatě nepřekonatelnou technologickou bariéru.

Elektronkový počítač ENIAC. Pracoviště vkládání programu do stroje.

Elektronkový počítač ENIAC. Pracoviště vkládání programu do stroje.

Záplava elektronek byla hlavním konstrukčním rysem počítače ENIAC.

Záplava elektronek byla hlavním konstrukčním rysem počítače ENIAC.

Tranzistor přišel na svět dvakrát

Po skončení 2. světové války se původně teoretický badatel William Bradford Shockley vrátil do Bellových laboratoří (Bell Labs). Zamýšlel sestrojit polovodičový zesilovač. Domníval se, že je možné napětím ovládat polovodičovou strukturu se stejným výsledným efektem, jakého se dosahuje u elektronky změnou napětí na mřížce.

W. B. Shockley, jeden z vynálezců tranzistoru.

W. B. Shockley, jeden z vynálezců tranzistoru.

W. B. Shockley a Walter Houser Brattain vytvořili tým, který se pustil do pokusů. Nejprve prozkoumali vlastnosti známých polovodivých látek a rozhodli se využít pro experimenty germanium a křemík. V lednu 1946 začala trojice vědců laborovat s unipolárním (jednopólovým) tranzistorem jednoduchého konstrukčního principu. Změny elektrostatického pole hradlové elektrody (řídící) připájené na germanium nebo křemík měly zesilovat nebo zeslabovat elektrický proud v polovodiči.

Zařízení však nepracovalo podle předpokladů. Všech 34 příslušníků týmu se začalo na popud Shockleyho věnovat objasnění "jednoho z největších neúspěchů v dějinách vědy", jak sám badatel zhodnotil první fázi výzkumu. O posun vpřed se zasloužil brilantní teoretik John Bardeen, který se stal v říjnu 1945 členem týmu. V březnu 1946 se začalo blýskat na lepší časy.

Bardeen teoreticky objasnil příčinu neúspěchu povrchovými stavy ovlivňujícími elektrické vlastnosti atomů pouze na samém okraji látky (hlouběji jen u nemnoha atomů). Složitý matematicko-fyzikální popis lze do značné míry zjednodušit a vysvětlit tak, že na povrchu se látka (polovodič) chová úplně jinak, než uvnitř tělesa.

U Shockleyho se projevila určitá rozmrzelost, která ho odvedla od práce na polovodičové součástce, protože před válkou se právě předpokládanými povrchovými jevy zabýval, ale nyní je nevzal v potaz. Brattain a Bardeen pokračovali v teoretickém zkoumání i praktických pokusech.

Dne 16. prosince 1947 konečně jejich polovodičové zařízení pracovalo podle předpokladů. Podařilo se jim změnou napětí 1,5 voltu na bázi (řídící elektrodě) zvýšit výstupní napětí proudu tranzistoru na 15 voltů.

Dne 23. prosince pak všichni tři společně Brattain, Bardeen i Shockley předvedli vedení Bellových laboratoří funkční polovodičový zesilovač. Název tranzistor byl však jako pojmenování nového elektrotechnického prvku vybrán z celé řady návrhů až v roce 1948.

V červnu stejného roku uspořádala laboratoř první veřejné předvedení výsledků výzkumu. Přítomným novinářům ovšem význam epochálního vynálezu nějak nedošel. Nebylo divu, sami elektrotechnici měli potíže novou rodinu polovodičových součástek využívat při konstrukci elektrických zařízení.

Replika prvního tranzistoru

Replika prvního tranzistoru na světě. Laboratorní dílenské zpracování je plně podřízeno experimentálnímu rázu pokusů s polovodiči v roce 1947. Současné špičkové tranzistory mají rozměry měřené v miliardtinách metru.

Během příprav na podání patentové přihlášky vynálezu se přišlo na skutečnost, že polovodičovou součástku fungující na úplně stejném principu si nechal patentově ochránit Julius Edgar Lilienfeld, haličský Žid, který jako jeden z prvních emigroval z antisemitské Evropy do USA. V roce 1926 podal přihlášku na polem řízené tranzistory, když první polovodičové prvky vyrobil již v roce 1925.

Výsledky své průkopnické práce však nijak nepublikoval ani prakticky nevyužil. Výrobní práva k sobě nakonec strhla Bell Labs a pánové William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain v roce 1956 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Licenci na výrobu a využití tranzistorů bylo možné koupit od Bellových laboratoří za 25 tisíc dolarů.

J. Bardeen, W. H. Brattain, W. B. Shockley vytvořili v roce 1947 tranzistorový triumvirát, který svou badatelskou činností položil základ k velké elektrotechnické revoluci.

Přichází první tranzistorové rádio. Je to obrovský hit

Prostý občan vzal existenci polovodičové techniky na vědomí až 18. října 1954, kdy společnost Texas Instruments uvedla na předvánoční trh malinké rádio Regency TR-1, které mohl mít každý kdekoliv u sebe. Zázrak techniky stál 49,95 dolarů (dnes to odpovídá částce 6 500 korun) a do Vánoc se jich prodalo 100 tisíc kusů.

Regency TR-1, první tranzistorové rádio na světě. Vánoční hit roku 1954 za 6500

Regency TR-1, první tranzistorové rádio na světě. Vánoční hit roku 1954 za 6500 korun.

První československé tranzistorové rádio Tesla 2800B T58 vyráběné v letech 1958 až 1960 si až na mírné časové zpoždění nezadalo se zahraničními výrobky.

Cena přijímače činila v roce 1959 celých 460 Kčs. Průměrná hrubá měsíční mzda přitom v roce 1960 byla 1 303 Kčs. Zajímavý článek o prvním českém tranzistoráku najdete na serveru Muzikus.cz.

V roce 1958 byl sestrojen první integrovaný obvod s jedním tranzistorem a dalšími součástkami na germaniové destičce. Tranzistory se začaly zmenšovat a byla rovněž využívána jejich druhá základní funkce v podobě malinkého přepínače, řízeného jen napěťovými nebo proudovými stavy elektrického obvodu.

Při konstrukci integrovaných obvodů se začal od roku 1969 používat křemík. V roce Intel vyrobil první mikroprocesor se zabudovanými 250 tranzistory. V roce 1985 nesl nejmodernější mikroprocesor typu i80386 už 275 tisíc tranzistorů a v roce 2008 obsahoval čip 731 milionů tranzistorů.

Je zajímavé, že nejen fyzika, ale i průmyslová výroba se řídí přírodními zákony. Od okamžiku zahájení výroby tranzistorů se jejich počet na integrovaném obvodu zdvojnásobuje v intervalu 18 až 24 měsíců. První si tohoto vztahu povšiml Gordon Moore, který se jako chemik podílel i na vzniku prvního tranzistoru v Bell Labs. Obdobně se zvyšovala podle Moorova zákona i koncentrace součástek v elektromechanických a elektronkových přístrojích v předtranzistorovém věku.

Je pravděpodobné, že znásobování počtu tranzistorů na integrovaném obvodu zastaví až přechod průmyslu na úplně novou technologii, která bude zpočátku nenápadným, ale později nepřehlédnutelným vývojovým skokem.

Bez tranzistoru by nebylo nic. Ani mobil, ani počítač

Dnes jsou mikroskopické tranzistory o velikosti zrníček nejjemnějšího prachu součástí veškeré elektroniky. Vyrábí se technologií označovanou jako 22 nanometrů, tedy 22 miliardtin metru. Pro představu: na tloušťku jednoho lidského vlasu by se vedle sebe dalo nasázet dva tisíce takto malých tranzistorů.

Bez tranzistorů by nepracovalo nic, co nás na dnešním světě baví nejvíc: počítačové hry, klábosení přes mobilním telefon nebo brouzdání po internetu. Až k těmto dříve nepředstavitelným možnostem vyspěla za pouhých 65 let součástka, která dovede vést elektrický proud jaksi "jen polovičatě".

Vánoce 1947 prožívalo v tranzistorovém opojení odhadem asi deset až dvacet osob. Svátky 2012 si prostřednictvím tranzistorů v mobilech, tabletech, foťácích, televizích, herních konzolích a jinde patřičně užijí miliardy lidí. Ve vánočním rozjímání vzpomeňme alespoň na okamžik na dovednost a um těch, kteří stáli na začátku. Vděčíme jim za hodně.

Stručné dějiny elektrického pravěku

Když Luigi Galvani přibližně v poslední čtvrtině 18. století postřehl reakci svalové hmoty na nejspíše elektrické výboje, vysvětloval jev výhradně působením živočišné elektřiny. Jeho současník a vědecký odpůrce Alessandro Volta se dobral k elektřině bez žabích stehýnek. Sestavil elektrochemický článek (baterii) ze spárovaných měděných a zinkových plíšků, které proložil kůží namočenou v kyselém roztoku. Kromě skvělého intelektu projevil A. Volta i mimořádnou ušlechtilost ducha. První technicky využitelný zdroj elektrického proudu nazval jménem svého vědeckého odpůrce jako galvanický článek.

Brzy se ukázalo, že existují látky, kterými elektrický proud prochází velmi dobře. Vědci je nazvali vodiči elektřiny. Nejlepším je za běžných podmínek stříbro, následované dalšími kovy, ale třeba i uhlíkem, který však musí být pouze ve formě grafitu (tuhy). Druhá skupina látek, která elektrický proud nevede za žádných okolností byla označena jako nevodiče - izolanty. Nejlepším izolantem je kupodivu rovněž uhlík, ale ve formě diamantu.

Další obdivuhodný muž Michael Faraday (1791 - 1867), který experimentoval s elektrickými jevy a mimo jiné objevil elektromagnetickou indukci, si všiml, že určité látky (jmenovitě v jeho případě selen) se za určitých podmínek chovají jako vodiče, při jiných jako izolanty. Dlouho však nebylo jasné, k čemu by bylo možné vlastností polovodičů vůbec využít. Teprve Werner von Siemens sestrojil fotometr (světloměr), ve kterém změna intenzity světla dopadajícího na selenový prvek vyvolávala měřitelnou změnu vodivosti.

Obdobně bylo vlastností polovodičů využito počátkem 20. století při konstrukci hrotové elektrody. Ta využívala polovodičového jevu způsobeného obohacením povrchu krystalu germania nebo galenitu ionty z wolframového hrotu. Takto připravená polovodičová vrstva (spíše ploška) se projevovala jako jednoduchý, ale účinný usměrňovač. Nejznámějším přístrojem využívajícím popsaný jev byl primitivní radiový přijímač, zvaný krystalka, který za malý peníz umožňoval poslech vysílání blízkého rozhlasového vysílače. Krystalka dovedla demodulovat nosný rádiový signál na původní zvukové vlny bez použití zesilovačů.

Vzhled a vzájemného uspořádání polovodičového krystalu a hrotu, které spolu

Vzhled a vzájemné uspořádání polovodičového krystalu a hrotu, které spolu vytvářely diodu krystalky. Obrázek zachycuje zařízení používané zhruba okolo roku 1923.

Veškerá výše popsaná zařízení pracovala vcelku uspokojivě. Technici ani přírodovědci neměli nejmenší ponětí, jaké jevy chování občas vodivých látek vystavených působení elektrických sil způsobují.

Jednoduché rádiové přijímače zvané krystalky nevznikaly v době do druhé světové války jen na poli působnosti elektrotechnických nadšenců amatérů, ale pro veřejnost je vyráběla řada společností. Zobrazený přijímač z roku 1935 je produktem německé firmy Heliogen.

A jak to vlastně funguje?

Atomy vodičů jsou v krystalové mřížce uspořádány tak, že některé elektrony z nejsvrchnější vrstvy atomového obalu se nepodílejí na vzájemné vazbě s okolními atomy a pohybují se volně látkou. Vystaveny působení elektrického pole vedou proud. Čím více elektronů může být z hlediska struktury atomů uvolněno, tím lepším je látka vodičem.

Izolanty nedisponují volnými elektrony, a proto proud za žádných okolností nevedou.

Atomy polovodičů uvolňují přibližně poloviční počet elektronů v porovnání s vodiči. Navíc se tato jejich vlastnost mění v závislosti na teplotě. Za velmi nízkých teplot se chovají jako izolanty, s jejím vzrůstem klesá odpor polovodičů a vedou proud téměř shodně jako vodiče (u nich naopak se vzrůstem teploty roste odpor, tedy klesá schopnost vést proud). Nejznámějšími polovodiči jsou germanium, silicium (křemík), selen, oxid měďný a jiné prvky a sloučeniny.

Je-li polovodič absolutně čistou látkou, jsou všechny jeho svrchní elektrony vázány na elektronové obaly okolních atomů. Jiná situace nastane, když je do látky polovodiče přimícháno určité množství jiného prvku. Atom příměsi může mít například o jeden elektron ve vazebné sféře více, než je počet vazebných elektronů základního prvku. Elektrony navíc, prakticky je jich vždycky vyšší počet, jsou schopné vést elektrický proud. Tomuto způsobu vedení proudu polovodičem se říká elektronová vodivost a značí se písmenem N (negativní náboj).

Obdobná situace nastane, když jsou do krystalové mřížky polovodiče umístěny atomy s nižším počtem elektronů ve vazební sféře, než mají atomy základní látky. Kupodivu i za takových podmínek může látkou procházet elektrický proud, protože volné místo vytváří jakousi nábojovou kladnou "díru", do které může vystavením látky působení elektrického pole spadnout záporně nabitý elektron od sousedního atomu. Na jednu stranu se tak posunují elektrony na druhou pak díry, které vznikají v místech, která elektrony opouštějí. Tento způsob vedení elektrického proudu nazvali vědci děrovou vodivostí. Se zřetelem na kladný elektrický náboj prázdného místa v elektronovém obalu označujeme děrovou vodivost písmenem P (pozitivní náboj).

Rekombinace (opětovné sloučení) je proces, při kterém elektrony zapadají do

Rekombinace (opětovné sloučení) je proces, při kterém elektrony zapadají do "děr". Tranzistorem prochází proud jen v případě, že všechny elektrony nezrekombinují, aby se tak nestalo, odvádí je právě malý proud procházející bází.

Základní typ tranzistoru, který je schopen pracovat se stejným zesilovacím výsledkem jako elektronka je tvořen sestavou dvou typů polovodičů (elektronových N a děrových P). V prostorovém uspořádání je levá vrstva nazývaná emitor tvořena polovodičem typu N. Uprostřed je uložena prostřední teninká vrstvička polovodiče typu P (s děrovou vodivostí) a následuje poslední vrstva z polovodiče typu N. Vliv na elektrické chování celého tranzistoru mají nejen vlastnosti jednotlivých polovodičů, ale i přechodové vrstvy. Pro rámcové pochopení fungování součástky postačí vzít na vědomí, že malá změna proudu protékajícího bází silně ovlivňuje tok elektrických nábojů mezi emitorem a kolektorem případně ho úplně uzavře.

Autor:




Hlavní zprávy

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.