Kronika Chip-a: Tranzystory

Mikroprocesory składają się z milionów tranzystorów – podstawowych elementów współczesnych układów elektronicznych, których jest już na świecie więcej niż gwiazd na Drodze Mlecznej.

Szacuje się, że co roku wytwarzanych jest dziesięć trylionów tranzystorów. Na każdego z 7 miliardów ludzi przypada 45 sztuk na sekundę. Ta niewyobrażalnie wielka skala produkcji wynika z faktu, że tranzystory są najważniejszym elementem konstrukcyjnym układów elektronicznych. Mikroprocesory spotykane obecnie w niemal wszystkich urządzeniach zasilanych elektrycznie składają się z tysięcy, a nawet milionów tranzystorów. Pojedynczy tranzystor może jedynie regulować i wzmacniać przepływ prądu. Dopiero właściwe połączenie wielu elementów pozwala na zapisywanie i przetwarzanie danych binarnych (w postaci zero-jedynkowej).

Idea: Prąd steruje prądem

Zasada działania tranzystora – sterowanie przepływem prądu za pomocą innego prądu – została opracowana już w XIX wieku. Przez wiele lat jedynymi elementami mogącymi wykonywać to zadanie były lampy elektronowe. W tym celu prąd jest w nich przekazywany z rozgrzanej katody do anody. Między nimi umieszczona jest siatka pod napięciem, którego wielkość steruje przepływem elektronów z jednej elektrody do drugiej. Wziąwszy pod uwagę, że wszystkie te elementy muszą być umieszczone w próżni lub w środowisku gazowym i mogą pracować dopiero po osiągnięciu określonej temperatury, możemy wyobrazić sobie, jak skomplikowane, delikatne i drogie są takie urządzenia. W przeciwieństwie do nich współczesne tranzystory polowe składają się z kawałka domieszkowanego półprzewodnika – zazwyczaj krzemu – z trzema elektrodami. Podczas przepływu między „źródłem” a „drenem” elektrony muszą przejść przez obszar zwany kanałem. Jego szerokość zależy od napięcia przyłożonego do trzeciej elektrody zwanej bramką. W zależności od typu tranzystora opór między źródłem a drenem rośnie lub maleje proporcjonalnie do tego napięcia, zmniejszając lub zwiększając przepływ elektronów. Elementy półprzewodnikowe są znacznie mniejsze i tańsze w produkcji niż lampy elektronowe, co zadecydowało o ich szybkim rozpowszechnieniu się.

Mniejsze znaczy lepsze: Miniaturyzacja

Tranzystory zaczęły zdobywać popularność w połowie lat 50., kiedy umożliwiły budowę przenośnych radioodbiorników. Pierwszy krok w kierunku miniaturyzacji tranzystorów zrobił w 1959 roku amerykański fizyk i współzałożyciel firmy Intel Robert Noyce, który opatentował monolityczny układ scalony. Pomysł, by zmieścić cały obwód z wieloma tranzystorami na jednej cienkiej płytce krzemu, legł u podstaw współczesnej elektroniki. Od czasu wynalezienia układu scalonego rozwój elektroniki przebiegał zgodnie z prawem Moore’a: współzałożyciel Intela Gordon E. Moore zaobserwował, że liczba tranzystorów mieszczących się w jednym układzie scalonym podwaja się co około dwa lata. Ta reguła pozostawała aktualna przez pół wieku, przede wszystkim dzięki możliwości regularnego zmniejszania wielkości pojedynczych tranzystorów. Sam Moore przewiduje jednak, że około 2025 roku proces ciągłej miniaturyzacji ulegnie zahamowaniu, gdyż na jej drodze staną ograniczenia fizyki. Jednak już teraz prowadzone są prace nad rozwiązaniem problemu – można po prostu zwiększać układy scalone lub umieszczać je jeden nad drugim. A zatem liczba tranzystorów na ziemi wciąż będzie rosła w astronomicznym tempie.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.