A legkisebb is számít – a tranzisztor

Ha a biológiai értelemben vett élet legkisebb építőköve a sejt, agyunké pedig a neuron, akkor a modern elektronikai vívmányoké egyértelműen a tranzisztor. És akárcsak bármelyik sejt, egyszerre egyszerű és bonyolult, ebben a kettősségében rejlik felhasználhatóságának sokoldalúsága. Jelen van a mobiltelefonokban, a számítógépekben, televíziókban, autókban és még sorolhatnánk szinte vég nélkül. Elvitathatatlan, hogy e nélkül a mütyür nélkül világunk nem lenne olyan, mint amilyennek ma ismerjük. Annak, aki esetleg még nem halott erről a parányi elektronikai eszközről, az előszó kiegészítéseként egyelőre legyen elég annyi, hogy milliószámra zsúfolják a processzorba, memóriába, és úgy általában mindenféle integrált áramkörbe, igaz, egy távirányítóba nyilván nem kell belőle olyan sok, mint a legújabb videokártyába.

Hogyan született a tranzisztor

De mielőtt kicsit is elmélyednénk a témában, ahhoz, hogy megértsük, miben is rejlik az apró találmány nagysága, tisztába kell kerülnünk azzal, hogy a tranzisztort megelőzően is voltak már elektromos áramkörök, sőt kezdetleges számítógépek is, de a felépítésükhöz vákuumcsövek és elektromechanikus kapcsolók egész erdejére volt szükség. A vákuumcső ugyan ellátja feladatát és sokoldalú a felhasználhatósága, de van pár hátrányos tulajdonsága is (illetve jóformán csak az van neki, de jobb híján ugye...). Először is nem egy helytakarékos eszköz, másodszor pedig ahhoz, hogy egyáltalán működjön, be kell melegednie. Ennélfogva rengeteg áramot fogyaszt, amit javarészt hő formájában ad le közvetlen környezetének, ezzel is tovább terhelve az áramkört; továbbá túlmelegedni is hajlamos, ami nem csak az alkatrész, de az egész áramkör épségét veszélyezteti, legrosszabb esetben tüzet is okozhat.

E tulajdonságoknak a kiküszöbölésére egy új szerkezetre volt szüksége az amerikai Bell Telephone System munkatársainak, hogy a telefonhálózatot, elsősorban telefonközpontjaikat bővíteni lehessen, úgyhogy ráállítottak a munkára három nagyszerű elmét. John Bardeen, Walter Brattain és William Schockley rövid időn belül megszolgálta a beléjük fektetett bizalmat, egy év leforgása alatt létrehozták az első működőképes tranzisztort, a germánium nevezetű kémiai elem felhasználásával. Munkásságukért kilenc évvel később, 1956-ban meg is kapták a fizikai Nobel-díjat.

Pár aprócska vákuumcsöves áramkör, 1947

Kisebb, kevesebb áramot fogyaszt, alig melegszik, egy dolog kivételével mindenre képes, amire a vákuumcső, amit azért még ma is használunk, és van egy tippem, hogy ti is, ráadásul napi szinten.

A tranzisztor felépítéséből adódó hátránya, hogy nem bírja jól a nagy feszültséget, egyszerűen „leolvad”. Van egy, mára már hétköznapinak számító berendezés, amelyiknek nagy erejű áramra van szüksége, ez pedig a mikrohullámokat előállító magnetron. De cikkünk nem erről szól, hanem a vákuumcső utódjáról, ami tehát lehet erősítő, kapcsoló, oszcillátor, modulátor, és még további számos elektronikai alkatrész felépíthető belőle. Na de hogyan? Ahhoz, hogy ezt megértsük, kicsit mélyebbre kell ásnunk, de nem kell megijedni, az elmélet viszonylag egyszerű lesz, megígérjük.

Hogyan működik?

Manapság, bár valószínűleg ezzel nem mondunk újat, a számítástechnikában felhasznált tranzisztorok főként szilícium felhasználásával készülnek. Ez az anyag, akárcsak a germánium, félvezető, azaz nem vezeti úgy az áramot, mint a fémek, ugyanakkor nem is szigetel teljesen, mint a például a porcelán. Megfelelő anyagokkal „ötvözve” azonban (úgynevezett szennyezéses eljárással) rá lehet bírni arra, hogy vezesse az áramot az egyik vagy másik irányba. A módszer lényege annyi, hogy olyan elemekkel „keverjük össze” a szilíciumot, amik az anyag egészét tekintve szabad elektronokat adnak (arzén, foszfor) így egy negatív réteget létrehozva, ami felől könnyebben indul az áram (n-típus); vagy „elvesznek” (alumínium, gallium) így egy pozitív réteget alkotva, ergo e felé könnyebben folyik (p-típus). Ezeket felváltva egymásra pakolva, mintegy félvezető-szendvicsként, létrehozható a legegyszerűbb változat, amit egy n-p páros alkot és csak a negatív oldal felől engedi át az áramot, ezt hívjuk diódának.

A tranzisztorok azonban három rétegből állnak, tehát kétféle kombináció képzelhető el: n-p-n és p-n-p. Az első típusnál, ha áramot adunk a szendvics „közepére”, az a szélei felé fog kiáramlani, méghozzá felerősödve; ugyanakkor, ha a „széleire” adjuk az áramot, a tranzisztor nem fogja vezetni azt. A másik típus pont fordítva működik, a töltés a szélekről a közepe felé áramlik, míg bentről kifele nem.

Az első ilyen eszközök, bár jelentősen kisebbek voltak, mint a korabeli vákuumcsövek, még mindig jóval nagyobbak a mai, akár egyetlen elektron útját terelgető, nanométerekben mérhető mütyüröknél. Az előzőekben, gyakorlatilag kutyafuttában felvázoltak csak az áttörés mögötti elméletet írják le, a tranzisztorok evolúciója egy másik, hosszabb történet, amelynek igazi katalizátora az integrált áramkörök gyártástechnológiájában rejlik – ez azonban önmagában egy külön cikket érdemelne. A teljesség érdekében csak megemlítjük a térvezérlésű tranzisztorokat (Field-Effect Transistor, FET), hiszen a napjainkban ők játsszák a főszerepet, felépítésük alapelvét tekintve hasonlóak, de működés szempontjából kicsit eltérnek az ősöktől.

Hét darab tranzisztor egy emberi hajszálon, 1997

A számítógépek építőkockái

De miként játszanak szerepet a számítástechnikában? A fentebb felsorolt elektronikai alkatrészek felhasználásával fel lehet építeni úgynevezett logikai kapukat, amik egy egyszerű  matematikai módszert, a Boolean algebrát alkalmazva „döntést hoznak”, vagyis két vagy több bemenetből egyetlen kimenetet képeznek. Még nem hallottál erről? Nem baj, igazából nem bonyolult, csak a matematikusok szeretnek hülye neveket adni dolgoknak, mint például „operátor” meg „algoritmus”. Egy logikai kapu pedig az előbbinek feleltethető meg, a legegyszerűbbek ezek közül a „vagy”, az „és”, illetve a „nem”, ezeket felhasználva egyszerű döntéseket, vagy matematikai alapműveleteket lehet végrehajtatni a bináris kód és elektromosság ügyes felhasználásával (1 = van áram; 0 = nincs áram). Remélem nem baj, ha ezt most jobban nem részletezzük, mert egyrészt már más téma, másrészt igencsak mély vízben úszkálnánk – érdekes, ám tömény tananyag. De lényeg a lényeg: egyebek mellett logikai kapuk tömkelege alkotja a processzort.

Másik fő felhasználási területük a memória. A tranzisztor egyik kimenetét egyszerűen csak a bemenetre visszacsatolva, ha meg is szűnik a betáp, az áram körbe-körbe fog szaladgálni. Tehát az alkatrész bekapcsolva marad, így eltárolva egy bitet, az 1-et, míg egy másik irányból érkező árammal pedig egyszerűen ki lehet kapcsolni a kütyüt, vagyis cserélni lehet az adatot 0-ra. Ezeknek a „sejteknek” a felhasználásával, nagyon komoly mérnöki munka után születnek meg számítógépeink „szervei”, a processzor, a memóriamodul és a többiek.

Reméljük, akad köztetek, akinek sikerült legalább az érdeklődését felkelteni. Kérdéseink is ehhez kapcsolódnak, a kapott (vagy nem kapott) válaszok fényében igyekszünk terelgetni a témaválasztást a jövőben. Tehát, érdekesnek találtad a cikket? Kíváncsi lennél a jövőben is technológiával és annak hátterével foglakozó anyagokra (esetleg komolyabban is), vagy már ez is túl száraz volt?