Cum funcționează tranzistorii - Gokul J. Krishnan

Vezi lecția completă: http://ed.ted.com/lessons/how-transistors-work-gokul-j-krishnan

Computerele moderne ne revoluționează viețile, făcând operații care erau inimaginabile cu câteva zeci de ani în urmă. Acest lucru a devenit posibil în urma unor lungi serii de inovații, dar invenția fundamentală pe care se bazează aproape totul este tranzistorul. Gokul J. Krishnan descrie ce este tranzistorul și cum funcționează computerele pe baza acestuia.

Lecție de Gokul J. Krishna, animație de Augenblick Studios.

Computerele moderne
ne revoluționează viața,

efectuând activități inimaginabile
în urmă cu câteva zeci de ani.

Acest lucru a devenit posibil
în urma unor lungi serii de inovații,

dar există o invenție fundamentală
pe care se bazează aproape totul:

tranzistorul.

Ce este acest dispozitiv
și cum ajută computerele

să facă toate aceste lucruri
extraordinare?

La bază, computerele sunt,
după cum sugerează și numele,

mașini care efectuează
operații matematice.

Primele computere
erau dispozitive manuale pentru numărat,

ca abacul,

iar următoarele au început
să fie compuse din părți mecanice.

Ceea ce le-a făcut să fie computere
era modul de reprezentare a numerelor

și sistemul de manipulare a acestora.

Computerele electronice
funcționează în același mod,

dar în loc de aranjamente fizice,

numerele sunt reprezentate
de voltaje electrice.

Majoritatea acestor computere folosesc
un principiu numit Logică booleană

care are doar două valori posibile,

condițiile logice adevărat și fals,

denotate în cifre binare de unu și zero.

Acestea sunt reprezentate
de voltaje ridicate și scăzute.

Ecuațiile sunt implementate
prin circuite de tip poartă

ce produc ieșiri de unu sau zero,

bazate pe valoarea condiției de adevăr
a unei declarații introduse.

Aceste circuite efectuează
trei operații logice fundamentale:

conjuncție, disjuncție și negație.

Conjuncția funcționează ca o ”și poartă”,
oferind o ieșire de voltaj ridicat,

doar dacă primește
două intrări de voltaj ridicat,

iar celelalte porți funcționează
pe principii similare.

Circuitele pot fi combinate să execute
operații complexe,

cum ar fi adunarea sau scăderea,

iar programele computerizate
sunt alcătuite din instrucțiuni

pentru efectuarea electronică
a acestor operații.

Acest tip de sistem are nevoie
de o metodă sigură și precisă

pentru controlarea curentului electric.

Primele computere electronice,
ca ENIAC,

foloseau un dispozitiv numit tub cu vid.

Prima sa formă, dioda,

era alcătuită din doi electrozi
într-un container de sticlă vidat.

Aplicarea voltajului asupra catodului
îl încălzește și eliberează electroni.

Dacă anodul este încărcat pozitiv,

electronii sunt atrași de el,

completând astfel circuitul.

Acest flux unidirecțional de curent
poate fi controlat

prin varierea voltajului catodului,

care îl determină să elibereze mai mulți
sau mai puțini electroni.

Următorul pas era trioda,

care folosește un al treilea electrod,
numit grilă.

Aceasta este o sită metalică,
aflată între catod și anod,

prin care pot trece electronii.

Modificarea voltajului îl face
să respingă

sau să atragă electronii
emiși de catod,

activând, astfel, comutarea rapidă
a curentului.

Abilitatea de amplificare a semnalelor
a făcut trioda crucială pentru radio

și comunicarea la distanță.

În ciuda progreselor, tuburile cu vid
erau nesigure și voluminoase.

Având 18.000 triode, ENIAC avea
mărimea unui teren de tenis

și cântărea 30 de tone.

Tuburile se stricau tot la două zile,

și consuma într-o oră echivalentul
electricității folosit de 15 case pe zi.

Soluția a fost tranzistorul.

În locul electrozilor,
folosește un seminconductor,

ca siliconul tratat
cu diferite elemente

pentru a crea un tip N
de emisie de electroni,

și un tip P de absobție de electroni.

Acestea sunt aranjate
în trei straturi alternante

fiecare având un terminal.

Emitorul, baza și colectorul.

În acest tranzistor NPN,

din cauza anumitor fenomene
la interfața P-N

se formează o zonă specială între emitor
și bază, numită joncțiune P-N.

Aceasta conduce electricitatea,

doar atunci când voltajul
depășește un anumit prag.

În caz contrar, rămâne oprită.

Astfel, variații mici
ale voltajului introdus

pot fi folosite pentru trecerea rapidă
la ieșirea de curent ridicat și scăzut.

Avantajele tranzistorului
sunt eficiența și mărimea,

fiind mai durabile și consumând
mai puțină energie.

Un microcip de mărimea unei unghii
depășește funcționalitatea lui ENIAC,

și conține miliarde de tranzistori.

Computerele de azi,
par a face miracole,

făcând trilioane de operații pe secundă,

dar în spatele acestora,

fiecare operație este la fel de simplă
ca apăsarea unui buton.