Πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ

Δείτε όλο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/how-transistors-work-gokul-j-krishnan.

Οι σύγχρονοι υπολογιστές αλλάζουν τις ζωές μας, εκτελώντας καθήκοντα αδιανόητα πριν από δεκαετίες. Αυτό έγινε εφικτό από μια μακρά σειρά καινοτομιών, αλλά υπάρχει μια βασική εφεύρεση από την οποία σχεδόν όλα εξαρτώνται από: το τρανζίστορ. Ο Gokul J. Krishnan περιγράφει τι είναι ένα τρανζίστορ και πώς αυτή η μικρή συσκευή βοηθά στην υλοποίηση όλων όσων είναι σε θέση να κάνουν οι υπολογιστές.

Οι σύγχρονοι υπολογιστές
αλλάζουν τη ζωή μας,

εκτελώντας εργασίες που δεν
φανταζόμασταν δεκαετίες πριν.

Αυτό έγινε δυνατό με μία μεγάλη σειρά
από καινοτομίες,

αλλά υπάρχει μία θεμελιώδης εφεύρεση
στην οποία βασίζονται σχεδόν τα πάντα:

το τρανζίστορ.

Τι είναι λοιπόν αυτό,

και πώς μια τέτοια συσκευή υλοποιεί όλα
όσα μπορούν να κάνουν οι υπολογιστές;

Στη βάση τους, οι υπολογιστές
κάνουν ό,τι λέει και το όνομά τους,

δηλαδή είναι μηχανές που εκτελούν
μαθηματικές πράξεις.

Οι πρώτοι υπολογιστές ήταν χειροκίνητες
συσκευές καταμέτρησης,

όπως o άβακας,

ενώ μετά χρησιμοποιήθηκαν μηχανικά μέρη.

Αυτό που τους έκανε υπολογιστές ήταν
ο τρόπος απεικόνισης των αριθμών

και ένα σύστημα διαχείρισης τους.

Οι Η/Υ λειτουργούν παρομοίως,

αλλά αντί για φυσικές διατάξεις

τους αριθμούς αντιπροσωπεύουν
ηλεκτρικές τάσεις.

Οι περισσότεροι H/Y χρησιμοποιούν ένα
είδος μαθηματικών, την Άλγεβρα Μπουλ

στην οποία υπάρχουν
μόνο δύο πιθανές τιμές,

οι λογικές συνθήκες σωστό και λάθος

που δηλώνονται με τα δυαδικά
ψηφία ένα και μηδέν,

και αντιπροσωπεύονται από ψηλές
και χαμηλές τάσεις.

Οι εξισώσεις υλοποιούνται
μέσω κυκλωμάτων λογικών πυλών.

που εξάγουν το ένα ή το μηδέν,

ανάλογα με το αν οι είσοδοι ικανοποιούν
μια ορισμένη λογική δήλωση.

Αυτά τα κυκλώματα εκτελούν τρεις βασικές
λογικές λειτουργίες,

σύνθεση, διάζευξη, και άρνηση.

Η σύνθεση λειτουργεί με μία πύλη AND
που παρέχει έξοδο υψηλής τάσης

μόνο αν λάβει
δύο εισόδους υψηλής τάσης,

ενώ και οι άλλες πύλες λειτουργούν
με παρόμοιες αρχές.

Τα κυκλώματα μπορούν να συνδυαστούν
για να εκτελεστούν σύνθετες λειτουργίες,

όπως πρόσθεση και αφαίρεση.

Τα προγράμματα των υπολογιστών
αποτελούνται από εντολές

για την εκτέλεση
των πράξεων.

Αυτό το σύστημα χρειάζεται μία
αξιόπιστη και ακριβή μέθοδο,

για τον έλεγχο του ηλεκτρικού ρεύματος.

Οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές,
όπως ο ENIAC,

χρησιμοποιούσαν μια συσκευή
τον "σωλήνα κενού"

Η πρώιμη μορφή του, η δίοδος,

αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια
μέσα σε ένα κενό γυάλινο δοχείο.

Εφαρμόζοντας τάση στην κάθοδο, αυτή
θερμαίνεται και απελευθερώνει ηλεκτρόνια.

Εάν η άνοδος έχει ένα ελαφρά
υψηλότερο θετικό δυναμικό,

τα ηλεκτρόνια έλκονται από αυτό,

ολοκληρώνοντας το κύκλωμα.

Η προσανατολισμένη ροή
ηλεκτρονίων μπορεί να τροποποιηθεί

μεταβάλλοντας την τάση
της καθόδου,

που την αναγκάζει να ελευθερώνει
περισσότερα ή λιγότερα ηλεκτρόνια.

Το επόμενο βήμα ήταν η τρίοδος,

που χρησιμοποιεί ένα τρίτο
ηλεκτρόδιο που ονομάζεται "πλέγμα",

που είναι ένα συρμάτινο πλέγμα
μεταξύ της καθόδου και της ανόδου,

μέσω των οποίων μπορούν
να περάσουν τα ηλεκτρόνια.

Μεταβάλλοντας την τάση του,
μπορεί είτε να απωθεί

ή να έλκει τα ηλεκτρόνια
που εκπέμπονται από την κάθοδο,

επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη
εναλλαγή του ρεύματος.

Η ενίσχυση των σημάτων κατέστησε
την τρίοδο απαραίτητη για τη ραδιοφωνία

και την επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων.

Αλλά παρά την πρόοδο, οι σωλήνες
κενού ήταν αναξιόπιστοι και ογκώδεις.

Με 18.000 τριόδους, ο ENIAC είχε σχεδόν
το μέγεθος ενός γηπέδου τένις

και ζύγιζε 30 τόνους.

Οι σωλήνες χαλούσαν κάθε δεύτερη μέρα,

και σε μια ώρα, κατανάλωνε την ημερήσια
ηλεκτρική ενέργεια 15 σπιτιών.

Η λύση ήταν το τρανζίστορ.

Αντί των ηλεκτροδίων,
χρησιμοποιεί ένα ημιαγωγό,

από, πυρίτιο συνδιασμένο
με διαφορετικά στοιχεία

για να δημιουργηθεί ο τύπος Ν
που εκπέμπει ηλεκτρόνια,

και ο τύπος Ρ
που προσλαμβάνει ηλεκτρόνια.

Είναι χωρισμένο σε τρία
εναλλασσόμενα στρώματα

συνδεδεμένα με αγωγούς.

Τον πομπό, τη βάση και τον συλλέκτη.

Σε αυτό το τυπικό τρανζίστορ NPN,

λόγω φαινομένων
στην διεπαφή Ρ-Ν,

σχηματίζεται μια περιοχή που ονομάζεται
σύνδεση P-N μεταξύ πομπού και βάσης.

και εκεί δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα,

όταν η τάση υπερβεί
κάποιο ελάχιστο όριο.

Αλλιώς το κύκλωμα παραμένει κλειστό.

Με αυτόν τον τρόπο, μικρές μεταβολές
στην τάση εισόδου,

δημιουργούν ταχύτατες διακοπές
ρευμάτων υψηλής και χαμηλής έντασης.

Τα πλεονεκτήματα του τρανζίστορ είναι η
απόδοση και το μέγεθος.

Επίσης δεν απαιτεί θέρμανση
και χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια.

Η Ικανότητα του ENIAC έχει ξεπεραστεί
από ένα μικροτσίπ μεγέθους νυχιού,

που περιέχει δισεκατομμύρια τρανζίστορ.

Με τρισεκατομμύρια υπολογισμούς
το δευτερόλεπτο,

οι σημερινοί υπολογιστές μπορεί
να μοιάζουν σαν να εκτελούν θαύματα,

αλλά κάτω απ' όλ' αυτά,

κάθε μεμονωμένη λειτουργία παραμένει
τόσο απλή όσο το άνοιγμα ενός διακόπτη.