Letos totiž uplyne 100 let od okamžiku, kdy rakousko-uhersko-americký fyzik židovského původu Julius Edgar Lilienfeld podal patentovou přihlášku na tranzistor řízený polem. Později bylo ověřeno, že jak jeho, tak také druhý podobný, o 9 let mladší návrh německého fyzika Oskara Heila byl koncepčně správný, bohužel ve 20. a 30. letech 20. století nebylo možné praktickou funkčnost tohoto návrhu ověřit a skutečný tranzistor postavit. Díky tomu tehdy měly před sebou ještě téměř tři desetiletí masivního nasazení a obchodních úspěchů vakuové elektronky.

Teprve v padesátých letech 20. století si začaly razit cestu polovodiče, nejprve postavené čistě na PN přechodu, tedy bipolární. Bipolární tranzistor (BJT) umožnil do té doby nevídanou miniaturizaci a mechanickou odolnost stávající techniky a přinesl nové aplikace, zejména přenosnou audiotechniku (tranzistorová rádia, walkmany, přenosné vysílačky) atd., ale tato miniaturizace brzy narazila na své limity. Zásadní nevýhodou bipolárních polovodičových součástek je úbytek napětí na každém PN přechodu (a z toho plynoucí tepelné ztráty, odpovídající protékajícímu proudu krát úbytku napětí). To znamená na jedné straně nezbytnost takové prvky uchladit, na druhé straně pokrýt tyto ztráty z pohledu napájení, což je omezující zejména u přenosných zařízení, napájených bateriemi.

Bipolární tranzistory samozřejmě bylo a stále je možné umísťovat na čipy integrovaných obvodů (což se také stalo, vizte TTL, příkladem takových obvodů je třeba velmi známá řada 74xx od TI), ale výše zmíněné omezení, dané úbytkem napětí na PN přechodech, obejít s danou technologií možné nebylo a není. Omezení dané touto technologií tedy znamenalo limit přibližně 500 součástek na čipu, což je mimochodem hranice mezi integrovanými obvody střední (MSI) a vysoké úrovně integrace (LSI). U paměťových obvodů by to pak znamenalo omezení na přibližně 256 jednobitových paměťových buněk na čip (jen poznámka – některé novější IO řad 54xx/74xx apod. už vnitřně nejsou čistě bipolární, což umožňuje umístit součástek na čip více, proto v této řadě existují i obvody s více paměťovými buňkami, třístavové obvody apod.).

Je tedy zřejmé, že ač bipolární tranzistory přinesly oproti elektronkám jistý pokrok, zas tak zásadní změna to z dnešního pohledu nebyla. Osmibitový počítač se 64 kB paměti, realizovaný obvody TTL, by představoval skříň o velikosti automatické pračky s mnoha kartami, několika tisíci integrovanými obvody (například jen 64kB paměť složená z obvodů TI 7488 a 7489 by vyžadovala něco kolem 3 000 kusů takových IO), velkou spotřebou a tudíž také velkým vyzářeným tepelným výkonem, který by vyžadoval masivní chlazení, se vším, co je s tím spojené, tedy například hlukem z ventilátorů a potřebou odvodu tepla, o ceně a spolehlivosti takového zařízení raději nemluvě. Ok, elektronkový počítač obdobných parametrů by pak měl odběr v desítkách kilowattů, zabíral by ještě výrazně více místa a s cenou i spolehlivostí by na tom byl ještě výrazně hůře, o reléovém ostatně ani nemluvě, ten by s výkonem odpovídajícím třeba jen Sinclair ZX Spectru vůbec nebylo reálně možné postavit.

Součástkou, která opravdu změnila svět a umožnila současný rozvoj elektroniky i elektrotechniky, je totiž právě ten před sto lety poprvé navržený unipolární tranzistor nebo chcete-li, tranzistor řízený polem, field effect transistor (FET, MOSFET). Bez něj by nebylo možné vyrábět integrované obvody s velmi vysokým a ultra vysokým stupněm integrace (VLSI a ULSI), což jsou kupříkladu současné mikroprocesory (CPU) a paměťové čipy. A samozřejmě i grafické (GPU), síťové (NPU) a signálové (DSP) procesory, velká hradlová pole (FPGA) atd., ale třeba také optické transceivery pro WAN sítě (SFP apod.). Ani Internet by tedy bez MOSFETů nebyl tím, čím je.

A nejen to. Bez unipolárních tranzistorů bychom neměli ani současnou výkonovou elektroniku. Žádné použitelné spínané (pulzní) síťové zdroje, žádné použitelné DC/DC měniče, žádné použitelné MPP trackery pro fotovoltaiku, žádné reálně použitelné střídače, žádnou použitelnou řídící elektroniku pro moderní bezkartáčové elektromotory (BLDC) nebo pro LED svítidla, žádná bezpohybová relé (SSR), žádné BMS, nic z toho, co se dnes označuje moderním pojmem power electronics.

Veselé v kontextu předchozího odstavce je, že všechno, co do té power electronics spadá, v principu lze v omezeném rozsahu navrhnout a postavit i bez těch unipolárních tranzistorů a ono by to i nějak omezeně (a špatně) fungovalo. Například pulzní zdroj, kde by přepínání (tvorba pulzů) bylo řešeno namísto MOSFETu relátkem, je postavitelný a fungoval by. Chvíli (samozřejmě s rostoucí vnitřní frekvencí toho zdroje se bude délka této chvíle snižovat až k nule), než by se zdeformovaly, omlátily nebo spekly kontakty toho relé natolik, že by přestalo plnit svoji funkci, v tomto případě postačí si spočítat nutná mechanická zrychlení a nutné síly působící na kontakty takového relé třeba při vnitřní frekvenci zdroje 100 Hz, pak 1 kHz a pak třeba 5 kHz (moderní pulzní zdroje mohou ale pracovat třeba s vnitřní frekvencí 50 nebo i 250 kHz). Teď je vhodné si k tomu představit jiskry a při vyšších napětích pak dokonce elektrický oblouk mezi kontakty a jeho zajisté blahodárný vliv na životnost... Šel by samozřejmě postavit i pulzní zdroj s bipolárními tranzistory (byly-li by příslušně dimenzované na použité napětí) namísto unipolárních. Jen by měl nepřijatelně vysoké ztráty, ty tranzistory by hodně topily. S unipolárními tranzistory taková zapojení jsou nejen postavitelná, ale na rozdíl od předchozích generací součástek také prakticky využitelná – svým uživatelům přinášejí přidanou hodnotu.

Celý trik spočívá v tom, že zcela otevřený MOSFET má téměř nulový odpor, kdežto zcela zavřený MOSFET jej má velmi vysoký. Co je mezi tím, to nás víceméně nezajímá, protože v jiných než v oněch dvou krajních stavech je snaha tyto prvky nepoužívat. Téměř nulový odpor znamená také velmi malý úbytek napětí a tudíž velmi malé ztráty, když proud protéká a naopak velmi vysoký odpor znamená, že obvodem prakticky žádný proud neprotéká a tedy také velmi malé ztráty. Pomocí dostatečně častých kombinací těchto dvou stavů v tom správném poměru jejich délky a následného vyhlazení výstupu pomocí cívky a/nebo kondenzátoru je pak dosaženo toho, že na výstupu pulzního zdroje nebo také řídícího systému elektromotoru získáme přesně takové napětí, jaké potřebujeme. Čím vyšší vnitřní pracovní frekvence, tím menší (a tedy levnější) cívky nebo kondenzátory jsou potřeba, ale tím jsou také větší ztráty na samotném MOSFET tranzistoru, protože přechod z jednoho krajního stavu do druhého nějaké ty piko- až nanosekundy trvá a po tu dobu na onom tranzistoru nějaký měřitelný odpor skutečně je (už jen třeba díky parazitním kapacitám vývodů toho tranzistoru).

Některé MOSFET tranzistory dokáží svými schopnostmi ohromit. Na jedné straně tu jsou takové, které umějí fungovat na frekvencích v řádu gigahertz, ovládají se pouhými desítkami milivoltů a nejsou větší než několik nanometrů. Na druhé straně je tu třeba obvod Viper26k od STMicroelectronics, což je až na pár pasivních součástek kompletní MOSFET měnič napětí, který zvládne až 1050 V na vstupu (stejnosměrných nebo střídavých, to naprosto nehraje roli, pouze u střídavého napětí je nutné vzít v úvahu, že tím je myšlena maximální a nikoli efektivní hodnota napětí), jsou zatížitelné proudem 0.5 nebo 0.7 A, cena přibližně 1 dolar, vlastní spotřeba naprázdno asi 30 mW.

Bez klasických bipolárních tranzistorů bychom se tedy dnes už celkem bez obtíží obešli (ponechme stranou třeba IGBT, což je hybrid mezi bipolárními a unipolárními tranzistory, tam se know-how získané z technologie BJT docela hodí). Bez unipolárních tranzistorů, jejichž princip byl vymyšlen a patentován přesně před 100 lety, už si ale svět dnes neumíme představit. Ovšem první tři desetiletí zůstal víceméně opomenut a naprosto nevyužit. Otázka, která se vkrádá, tedy zní: „Kolik jen dalších takových užitečných nápadů, které v okamžiku svého vzniku nebyly tehdejšími prostředky realizovatelné, dodnes někde leží opomenuto a nevyužito?“

Zbyněk Pospíchal

Autor působí ve společnosti Quantcom (dříve Dial Telecom), kde se zabývá rozvojem páteřních sítí a návrhem a implementací nových síťových služeb. Kromě toho se snaží jako člen kolegia CZ.NIC, z.s.p.o. o to, aby peníze vlastníků domén byly užívány pouze na provoz systému TLD .cz a ne na nesouvisející projekty a financování pofidérního „veřejného blaha“. Povinnosti ukládané státní správou telekomunikačním společnostem považuje za zbytečné, škodlivé a poškozující především zákazníky.