Tranzistor jako spínač

V digitální elektronice nevyužíváme tranzistor k lineárnímu zesilování signálu (jako v audio technice), ale k přepínání mezi dvěma stavy: ZAPNUTO (logická 1) a VYPNUTO (logická 0). Tento princip je základem veškeré digitální logiky.

V moderních procesorech se používají tranzistory typu MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Fungují na principu elektrického pole, které ovládá vodivost kanálu mezi dvěma svorkami.

Tranzistor má tři základní vývody:

• Gate (G) – Brána: Ovládací vstup. Napětí na této svorce určuje, zda tranzistor propustí proud.
• Source (S) – Zdroj: Vstupní bod pro nosiče náboje (elektrony).
• Drain (D) – Odvod: Výstupní bod pro nosiče náboje.

—

Aby tranzistor fungoval jako spínač, musí se pohybovat pouze ve dvou mezních oblastech:

• Oblast nevodivosti (Cut-off): Na svorce Gate není dostatečné napětí. Mezi Source a Drain je vysoký odpor, proud neprotéká. (Logická 0)
• Oblast saturace (Saturation): Na svorce Gate je napětí nad prahovou hodnotou. Mezi Source a Drain vznikne vodivý kanál s minimálním odporem, proud protéká. (Logická 1)

—

Dnešní integrované obvody využívají technologii CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), která kombinuje dva typy tranzistorů:

• NMOS: Sepne (vede), když je na Gate vysoké napětí (logická 1).
• PMOS: Sepne (vede), když je na Gate nízké napětí (logická 0).

Díky této kombinaci odebírá obvod energii téměř výhradně v momentě, kdy dochází k přepnutí stavu. To je důvod, proč se procesory při vyšší frekvenci (více přepnutí za sekundu) zahřívají více.

[Image of CMOS inverter schematic diagram]

—

Kombinací několika tranzistorů dohromady vytváříme logická hradla (AND, OR, NOT).

• Například základní Invertor (NOT) tvoří jeden PMOS a jeden NMOS tranzistor.
• Miliardy takových spínačů v jediném čipu pak tvoří komplexní celky jako ALU (Aritmeticko-logickou jednotku) v procesoru.

—

S neustálým zmenšováním (dnes jednotky nanometrů) naráží tranzistory jako spínače na fyzikální limity:

• Svodový proud (Leakage): I ve stavu vypnuto tranzistorem protéká nepatrný proud, což zvyšuje spotřebu.
• Kvantové tunelování: Elektrony mohou „přeskočit“ izolační vrstvu, což vede k chybám ve výpočtech.

Související články:

• Polovodiče a P-N přechod
• Digitální logika a hradla
• Výroba procesorů

Tagy: hardware electronics transistor mosfet logic physics