Tip:
Highlight text to annotate it
X
V tomto telefonu je asi 100 miliónů tranzistorů, v tomto počítači víc než miliarda.
Tranzistory jsou ve všech elektronických zařízeních co používáme: TV, rádio,
Tamagoči.
Ale jak fungují?
Základní princip je velmi jednoduchý. Fungují jako tento vypínač
kontroluje tok elektrického proudu.
Může být rozepnutý, čili "nula", nebo sepnutý, čili "jedna".
A takto jsou ukládana všechna naše data. V nulách a jedničkách,
po malých bitech elektrického proudu. Ale na rozdíl od vypínače,
nejsou v tranzistoru pohyblivé části. A také funguje bez lidského zásahu.
Navíc může být zapínan a vypínán mnohem rychleji, než to zvládnu já.
Ale hlavně je neuvěřitelně malinký. Za tohle vše vděčíme zázračným polovodičům.
Nebo spíše vědě o polovodičích.
Čistý křemík je polovodič, což znamená že vede proud lépe než izolant,
ale hůř než kovy. Atom křemíku má totiž
ve vnější valenční vrstvě čtyři elektrony, pomocí kterých
se pojí se sousedy.
Jak se vede? Čus!
Co jééé!?
a tvoří krychlový krystal.
Ale protože jsou tyto elektrony ve vazbách, jenom několik získá dost energie,
aby unikly a cestovaly mřížkou. Právě málo volných nábojů
dělá z křemíku polovodič.
To by nebylo tak užitečné nebýt tajné zbraně – příměsí (ang. dopování).
Jistě jste slyšeli o dopování, kdy přidáte nějakou látku,
abyste vylepšili vlastnosti.
Vlastně je to velmi podobné, jen na úrovni atomů.
Existují dva typy příměsových polovodičů: N a P. Při výrobě typu N
do čistého křemíku vložíte trochu prvku, který má 5 valenčních elektronů,
třeba Fosfor.
Fosfor je dostatečně podobný křemíku, takže zapadne do jeho mřížky,
ale má jeden elektron navíc. V celém polovodiči je pak více
volných nábojů a proud teče lépe.
U typu P je do mřížky přidán prvek se třemi valenčními elektrony.
Třeba Bor. Tím vznikne "díra" – místo, kde by měl být elektron,
ale kde chybí. Stále se však zvyšuje vodivost
protože ostatní elektrony mohou díru zaplnit.
Přestože se pohybují elektrony, často se říká, že se pohybují díry
– neboť jich je mnohem méně. Protože díra je absence elektronu,
chová se jako částice s kladným nábojem. Proto se P typu říká P.
P jako pozitivní. Tyto pozitivní náboje – díry se pohybují
a vedou tak proud.
Častým omylem bývá, že N-typ je nabitý zá***ě
a P typ je nabytý kladně. To není pravda. Oba jsou neutrální,
mají totiž stejný počet protonů a elektronů.
N a P jenom značí znaménko volných nabitých částic.
V typu N se pohybují zá***é elektrony a v typu P
kladně nabité díry. Ale oba jsou neutrální!
Tranzistor je vyroben z obou typů polovodičů. Nejčastěji
je typ N na koncích a P uprostřed. Stejně jako vypínač má tranzistor
na obou koncích vodiče – přítok (source) a odtok (drain). Místo mechanického vypínače
má ale třetí vodič zvaný brána (gate), který je oddělen od vlastního polovodiče
tenkou oxidovou vrstvou.
Když se vyrobí tranzistor, oba typy se vzájemně ovlivňují.
Elektrony z typu N, kde jich je přebytek, přejdou do typu P
a zaplní díry.
Tím vznikne "vyprázdněná oblast". Co se vyprázdnilo? Volné nabité částice.
V typu N už nejsou volné elektrony.
Proč? Protože zaplnily díry v typu P.
Teď je P typ nabitý zá***ě. To je důležité, protože
bude odpouzovat všechny elektrony, které zkusí projít.
Vyprázdněná vrstva funguje jako hráz bránící průchodu proudu
přes tranzistor. Ten je teď vypnutý, podobně jako rozepnutý spínač,
ve stavu "nula"
Zapne se, když na bránu (gate) přivede malé napětí. To přitáhne elektrony
a překoná tak odbor vyprázdněné oblasti. Vlastě zmenší vyprázdněnou oblast
natolik, že elektrony se mohou volně pohybovat a vést proud.
Tranzistor je teď sepnutý, ve stavu "jedna"
To je pozoruhodné; jenom díky výzkumu vlastností krystalu jsme byli schopni
vytvořit spínač, který nemá pohyblivé části, může být spínán velmi rychle
pouze malým napětím a – co je nejduležitější – může být prťavý.
Dnešní tranzistory jsou jenom 22nm široké, což znamená, že obsahují jen 50 atomů našířku.
Ale aby mohl být splněn Mooreův zákon, budou se muset ještě zmenšit.
Mooreův zákon říká, že každé dva roky se počet tranzistorů na čipu zdvojnásobí.
Ale je tu jistý strop. Jakmile budou tranzistory menší a menší, kvantové jevy
začnou hrát nezanedbatelnou roli a elektrony se budou moci "protunelovat" skrz.
Potom nebudeme schopni vytvořit tak velkou hráz, která by je zastavila.
V budoucnu tranzistorů to bude asi velký problém,
naštěstí máme ještě asi 10 let čas. Do té doby se tranzistory patrně
budou dále zlepšovat.
...Jakmile máme, řekněme 300 těchto qubitů,
potom máme asi 2^300 klasických bitů. To je stejně částic, jako je
v celém vesmíru.