Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor folosit pentru a amplifica sau comuta semnale electrice si putere. Tranzistorul este unul dintre elementele de baza ale electronicii moderne. Este compus din material semiconductor, de obicei cu cel putin trei terminale pentru conectarea la un circuit electronic.
O tensiune sau curent aplicat unei perechi de terminale ale tranzistorului controleaza curentul printr-o alta pereche de terminale. Deoarece puterea controlata (de iesire) poate fi mai mare decat puterea de control (de intrare), un tranzistor poate amplifica un semnal. Unii tranzitori sunt ambalati individual, dar multi altii se gasesc incorporati in circuite integrate.
Fizicianul austro-ungar Julius Edgar Lilienfeld a propus conceptul unui tranzistor cu efect de camp in 1926, dar nu a fost posibil sa se construiasca efectiv un dispozitiv de lucru in acel moment. Primul dispozitiv de lucru care a fost construit a fost un tranzistor punct-contact, inventat in 1947 de fizicienii americani John Bardeen si Walter Brattain in timp ce lucra sub William Shockley la Bell Labs. Cei trei au impartit Premiul Nobel pentru fizica din 1956 pentru realizarile lor.
Cel mai utilizat tip de tranzistor este tranzistorul cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (MOSFET), care a fost inventat de Mohamed Atalla si Dawon Kahng la Bell Labs in 1959. Tranzistorii au revolutionat domeniul electronicii si au deschis calea pentru radiouri si calculatoare mai mici si mai ieftine, printre altele.
Majoritatea tranzistorilor sunt fabricati din siliciu foarte pur, iar unii sunt construiti din germaniu, dar uneori sunt folosite alte materiale semiconductoare. Un tranzistor poate avea un singur tip de purtator de sarcina, intr-un tranzistor cu efect de camp, sau poate avea doua tipuri de purtatori de sarcina in dispozitivele cu tranzistor cu jonctiune bipolara. In comparatie cu tubul de vid, tranzistorii sunt in general mai mici si necesita mai putina putere pentru a functiona.
Anumite tuburi de vid au avantaje fata de tranzistori la frecvente de functionare foarte mari sau tensiuni de functionare ridicate. Multe tipuri de tranzistori sunt fabricate conform specificatiilor standardizate de mai multi producatori.
Tranzistorul optic
Un tranzistor optic, cunoscut si sub numele de comutator optic sau supapa de lumina, este un dispozitiv care comuta sau amplifica semnalele optice. Lumina care apare la intrarea unui tranzistor optic modifica intensitatea luminii emise de la iesirea tranzistorului, in timp ce puterea de iesire este furnizata de o sursa optica suplimentara.
Deoarece intensitatea semnalului de intrare poate fi mai slaba decat cea a sursei, un tranzistor optic amplifica semnalul optic. Dispozitivul este analogul optic al tranzistorului electronic care formeaza baza dispozitivelor electronice moderne. Tranzistorii optici ofera un mijloc de control al luminii folosind doar lumina si au aplicatii in retelele de calcul optice si de comunicatii prin fibra optica.
Deoarece fotonii in mod inerent nu interactioneaza intre ei, un tranzistor optic trebuie sa foloseasca un mediu de operare pentru a media interactiunile. Acest lucru se face fara a converti semnalele optice in electronice, ca pas intermediar. Au fost propuse si demonstrate experimental implementari folosind o varietate de medii de operare. Cu toate acestea, capacitatea lor de a concura cu electronicele moderne este in prezent limitata.
Aplicatii
Tranzistorii optici ar putea fi utilizati pentru a imbunatati performanta retelelor de comunicatii prin fibra optica. Desi cablurile de fibra optica sunt folosite pentru a transfera date, sarcini precum rutarea semnalului sunt efectuate electronic.
Acest lucru necesita conversie opto-electronica, care formeaza blocaje. In principiu, procesarea si rutarea semnalului digital complet optic, este realizabila folosind tranzistori optici aranjati in circuite integrate fotonice. Aceleasi dispozitive ar putea fi folosite pentru a crea noi tipuri de amplificatoare optice pentru a compensa atenuarea semnalului de-a lungul liniilor de transmisie.
O aplicatie mai elaborata a tranzistorilor optici este dezvoltarea unui computer digital optic in care componentele proceseaza fotonii mai degraba decat electronii. In plus, tranzistorii optici care functioneaza folosind fotoni unici ar putea face parte integranta din procesarea informatiilor cuantice, unde pot fi utilizati pentru a aborda selectiv unitati individuale de informatii cuantice, cunoscute sub numele de qubiti.
Tranzistorii optici ar putea, teoretic, sa fie impermeabili la radiatia ridicata a spatiului si a planetelor extraterestre, spre deosebire de tranzistorii electronici, care sunt afectati in astfel de medii.
Comparatie cu electronica
Cel mai des argumentat caz pentru logica optica este ca timpii de comutare a tranzistorului optic pot fi mult mai rapizi decat in cazul tranzistorilor electronici conventionali. Acest lucru se datoreaza faptului ca viteza luminii intr-un mediu optic este de obicei mult mai rapida decat viteza de deriva a electronilor din semiconductori.
Tranzistorii optici pot fi conectati direct la cabluri de fibra optica, in timp ce electronica necesita cuplare prin fotodetectoare si LED-uri sau lasere. Integrarea mai naturala a procesoarelor de semnal complet optice cu fibra optica, ar reduce complexitatea si intarzierea in rutare si alte procesari a semnalelor in retelele de comunicatii optice.
Ramane indoielnic daca procesarea optica poate reduce energia necesara pentru comutarea unui singur tranzistor, astfel incat sa fie aceasta sa fie mai mica decat cea necesara pentru tranzistorii electronici. Pentru a concura in mod realist, tranzistorii necesita cateva zeci de fotoni per operatie. Este clar, totusi, ca acest lucru este realizabil in tranzistorii cu un singur foton, propus pentru procesarea informatiilor cuantice.
Poate cel mai semnificativ avantaj al logicii optice fata de logica electronica este consumul redus de energie. Acest lucru vine din absenta capacitatii in conexiunile dintre portile logice individuale. In electronica, linia de transmisie trebuie sa fie incarcata la tensiunea semnalului.
Capacitatea unei linii de transmisie este proportionala cu lungimea acesteia si depaseste capacitatea tranzistorilor dintr-o poarta logica, atunci cand lungimea sa este egala cu cea a unei singure porti. Incarcarea liniilor de transmisie este una dintre principalele pierderi de energie din logica electronica. Aceasta pierdere este evitata in comunicarea optica, unde trebuie transmisa pe o linie doar suficienta energie pentru a comuta un tranzistor optic la capatul de receptie. Acest fapt a jucat un rol major in adoptarea fibrei optice pentru comunicatiile pe distante lungi, dar nu a fost inca exploatat la nivel de microprocesor.
Pe langa avantajele potentiale ale vitezei mai mari, consumului de energie mai mic si compatibilitatea ridicata cu sistemele de comunicatii optice, tranzistorii optici trebuie sa satisfaca un set de criterii inainte de a putea concura cu electronicele. Niciun design nu a indeplinit inca toate aceste criterii, depasind in acelasi timp viteza si consumul de energie al electronicelor de ultima generatie.
Criteriile includ:
- Fan-out – Iesirea tranzistorului trebuie sa fie in forma corecta si de o putere suficienta pentru a opera intrarile a cel putin doi tranzistori. Aceasta implica faptul ca lungimile de unda de intrare si de iesire, formele fasciculului si formele impulsurilor trebuie sa fie compatibile.
- Restaurarea nivelului logic – Semnalul trebuie „curatat” de fiecare tranzistor. Zgomotul si degradarea calitatii semnalului trebuie eliminate astfel incat sa nu se propage prin sistem si sa se acumuleze pentru a produce erori.
- Nivel logic independent de pierdere – In comunicarea optica, intensitatea semnalului scade pe distanta datorita absorbtiei luminii in cablul de fibra optica. Prin urmare, un prag de intensitate simplu nu poate face distinctia intre semnalele pornit si oprit, pentru interconexiunile de lungime arbitrara. Sistemul trebuie sa codifice zero si unu la frecvente diferite, sa foloseasca semnalizare diferentiala in cazul in care raportul sau diferenta dintre doua puteri diferite poarta semnalul logic, pentru a evita erorile.
Implementari
Au fost propuse mai multe scheme de implementare a tranzistorilor optici. In multe cazuri, o dovada de concept a fost demonstrata experimental. Printre modele se numara cele bazate pe:
- transparenta indusa electromagnetic
- intr-o cavitate optica sau microrezonator, unde transmisia este controlata de un flux mai slab de fotoni de poarta
- in spatiul liber, adica fara rezonator, prin abordarea starilor Rydberg care interactioneaza puternic
- un sistem de excitoni indirecti (compus din perechi legate de electroni si gauri in puturi cuantice duble, cu un moment dipol static). Excitonii indirecti, care sunt creati de lumina si se descompun pentru a emite lumina, interactioneaza puternic datorita alinierii lor dipol.
- un sistem de polaritoni cu microcavitati (exciton-polaritoni in interiorul unei microcavitati optice) in care, similar tranzistorilor optici bazati pe exciton, polaritonii faciliteaza interactiunile eficiente intre fotoni
- cavitati de cristal fotonic cu un mediu activ de castig Raman
- comutatorul de cavitate moduleaza proprietatile cavitatii in domeniul timpului pentru aplicatiile de informatii cuantice.
- cavitati pe baza de nanofire care utilizeaza interactiuni polaritonice pentru comutarea optica
- micro-inele de siliciu plasate pe calea unui semnal optic. Fotonii portii incalzesc microinelul-ul de siliciu, provocand o schimbare a frecventei de rezonanta optica, ceea ce duce la o schimbare a transparentei la o anumita frecventa a sursei optice.
- cavitate optica cu dubla oglinda care detine aproximativ 20.000 de atomi de cesiu prinsi prin intermediul unei pensete optice si racite cu laser la cativa microkelvin. Ansamblul de cesiu nu interactioneaza cu lumina si este astfel transparent. Lungimea unei calatorii dus-intors intre oglinzile cavitatii egaleaza un multiplu intreg al lungimii de unda a sursei de lumina incidenta, permitand cavitatii sa transmita sursa de lumina.
- Fotonii din campul luminos al portii intra in cavitate din lateral, unde fiecare foton interactioneaza cu un camp de lumina suplimentar „de control”, schimband starea unui singur atom pentru a fi rezonant cu campul optic al cavitatii, ceea ce modifica lungimea de unda de rezonanta a campului si blocheaza transmisia campului sursa, „comutand” astfel „dispozitivul”. In timp ce atomul modificat ramane neidentificat, interferenta cuantica permite ca fotonul de poarta sa fie extras din cesiu. Un singur foton de poarta ar putea redirectiona un camp sursa care contine pana la doi fotoni inainte ca recuperarea fotonului de poarta sa fie impiedicata peste pragul critic, pentru un castig pozitiv.
