سفر به قلب کامپیوتر، ترانزیستورها چگونه دنیای ما را متحول کردند؟

ترانزیستورها در کامپیوترهای نسل دوم وارد دنیای تکنولوژی شده‌اند. نسل اول رایانه‌های الکترونیکی از لوله‌های خلا استفاده می‌کردند که مقدار زیادی گرما تولید می‌کرد، همچنین حجیم و غیرقابل اعتماد بودند. در مقابل، کامپیوترهای نسل دوم دارای مدارهایی پر از ترانزیستورهای جداگانه و حافظه با هسته مغناطیسی بودند. این ماشین‌ها تا اواخر دهه ۱۹۶۰ که مدارهای مجتمع شروع به کار کردند و منجر به تولید نسل سوم رایانه شدند و به عنوان اصلی‌ترین طرح باقی ماندند و دریچه‌ای را برای پیشرفت دنیای تکنولوژی ایفا کردند. یکی از مهم‌‌ترین دلایل این پیشرفت چیزی نبود جز اختراع و استفاده از ترانزیستور که دنیای تکنولوژی را متحول کرد.

تاریخچه ترانزیستور

ترانزیستور برای اولین بار در سال ۱۹۴۸ در آزمایشگاه تلفن بل اختراع شد، اختراع ترانزیستور پیشرفت بی‌سابقه‌ای در صنعت الکترونیک بود و می‌توان ادعا کرد که آغاز عصر جدیدی را در الکترونیک و دنیای تکنولوژی ایجاد کرد. ویلیام شوکلی، جان باردین و والتر براتین سه فیزیکدان معروفی هستند که توانستند ترانزیستور را اختراع کنند و به موجب آن جایزه نوبل به آنها اهدا شد.

با توجه به اختراعاتی که ترانزیستور راه را برای آن هموار کرد، می توان ادعا کرد که این مهمترین اختراع قرن بیستم بوده است. چرا که پس از اختراع آن پیشرفت در فناوری روز به روز بیشتر میشد، که بارزترین این پیشرفت تحولات مربوط به کامپیوترها بود!

تحولات در ساخت ترانزیستورها

این وسیله‌های پر کاربرد در دنیای الکترونیک از ابتدا همه قابلیت‌های اکنون را دارا نبودند و به مرور به طرح امروزی رسیدند. به عنوان مثال سری اول ترانزیستورها با استفاده از ژرمانیم تولید می‌شدند. اما پس از تحولات گوناگون در عرصه تولید، دانشمند Texas Instruments جورج تیل در سال ۱۹۵۴ اولین ترانزیستور سیلیکون را ایجاد کرد. ترانزیستورهای سیلیکون ارزان تر و قابل اطمینان‌تر از ترانزیستورهای مبتنی بر ژرمانیم بودند، زیرا ژرمانیوم علاوه بر گران‌تر بودن در ۱۸۰ درجه فارنهایت خراب میشد و کارایی خود را از دست میداد.

ترانزیستورها چگونه کار می‌کنند؟

عملکردهای ترانزیستور شامل تقویت و سوئیچینگ و تغییر است، بیایید از یک رادیو به عنوان مثال استفاده کنیم: سیگنال‌هایی که رادیو از جو دریافت می‌کند بسیار ضعیف هستند. رادیو این سیگنال‌ها را از طریق خروجی بلندگو تقویت می‌کند. این همان عملکرد “تقویت” یا سوئیچینگ در ترانزیستور است. در یک رادیوی آنالوگ، فقط تقویت سیگنال باعث می‌شود که بلندگوها صدا تولید کنند. اما در دستگاه‌های دیجیتال، شکل موج سیگنال ورودی نیز باید تغییر کند. برای یک دستگاه دیجیتال مانند رایانه یا پخش کننده MP3، ترانزیستور باید حالت سیگنال را به ۰ یا ۱ تغییر دهد. این “عملکرد تغییر” یک ترانزیستور است، یعنی تغییر سیگنال دیجیتال بین دو حالت تعیین شده. ترانزیستورها پایه و اساس انواع لوازم الکتریکی ساده و پیچیده هستند، حتی اجزای بسیار پیچیده مانند مدارهای مجتمع ساخته شده از سیلیکون مایع نیز در اصل مجموعه‌ای از ترانزیستورها هستند.

برای اینکه چگونگی کار ترانزیستورها را توضیح دهیم، بهتر است ابتدا با نحوه کارکرد کامپیوترها آشنا شویم. می‌دانید که تمام کامپیوترها بر اساس محاسبات ریاضی مانند چرتکه یا ماشین حساب‌های مکانیکی کار می‌کنند. اما حقیقت مربوط به نمایش اطلاعات و محاسبات روی کامپیوترها مربوط به دو ولتاژ بالا و پایین است. بله! تمام این محاسبات و اعداد با سوئیچ بین دو ولتاژ نمایش داده می‌شوند.

بیشتر کامپیوترها نوعی از محاسبات به نام منطق بولی استفاده می‌کنند که تنها دارای ۲ مقدار ممکن است. وضعیت‌های منطقی true و false که در سیستم باینری با اعداد ۱ و ۰ نشان داده می‌شوند. این دو وضعیت در سیستم کامپیوتری با ۲ ولتاژ ۵v+ (بالا) و 0v (پایین) نمایش داده می شوند. معادلات از طریق مدارهای گیت منطقی اجرا می‌شوند که یک خروجی یک یا صفر تولید می‌کنند. بر اساس این که آیا ورودی‌ها عبارت منطقی خاصی را برآورده می‌کنند یا خیر، این مدارها سه عمل منطقی اساسی را انجام می‌دهند conjunction) disjunction و negation). در واقع conjunction با یک گیت AND کار می‌کند که تنها در صورتی ولتاژ بالا را فراهم می‌کند که هر دو ورودی آن برابر با ولتاژ بیشتر از ۵v+ یا همان ۱ باینری باشند. گیت‌های دیگر (OR و NOT) نیز چیزی مشابه این گیت هستند، با این تفاوت که در گیت OR حتی اگر یک ورودی ۱ باشد خروجی نیز ۱ است. گیت NOT هم همانطور که از نام آن مشخص است ولتاژ ورودی را معکوس می‌کند. تصویر زیر نحوه عملکرد این ۲ گیت را نمایش می‌دهد.

مدارها می‌توانند برای انجام عملیات پیچیده الکترونیکی مختلف مانند جمع، تفریق و اجرای برنامه‌های رایانه‌ای که شامل دستورالعمل‌های مختلفی هستند از این گیت‌ها به صورت ترکیبی استفاده کنند.

حتما تا کنون متوجه شده‌اید که تمامی این محاسبات با ایجاد سیگنال انجام می‌شود و این موضوع برای دریافت نتیجه صحیح چقدر حائز اهمیت است. حتی اگر یکی از گیت‌ها کار خود را به درستی انجام ندهند نتیجه محاسبات را تغییر خواهد داد. بنابراین این نوع از سیستم‌ها نیاز به یک روش دقیق و قابل اعتماد برای کنترل جریان الکتریکی دارند. همانطور که گفته شد کامپیوترهای الکتریکی اولیه مانند ENIAC از لوله‌های خلا استفاده می‌کردند. این لوله‌ها شکل اولیه دیود (Diode) بودند که از دو الکترود و یک ظرف شیشه‌ای تشکیل شده بودند که اعمال ولتاژ به کاتد در آن باعث گرم شدن و آزاد شدن الکترون‌ها میشد. این لوله‌های خلا چیزی مشابه تصویر زیر بودند که کاتد در پایید و آند در بالای آن قرار داشت.

اگر آند در پتانسیل مثبت کمی بالاتر قرار داشته باشد، الکترون‌ها جذب آن شده و مدار کامل می‌شود. این جریان یک سویه را می‌توان با تغییر ولتاژ اعمال شده به کاتد کنترل کرد که الکترون‌های کمتر یا بیشتری آزاد کند. مرحله بعدی Triode(تریود) بود که از الکترود سوم به نام گرید(grid) که یک سیم بین کاتد و آند بود استفاده می‌کرد.

الکترون‌ها از طریق گرید عبور می‌کردند و از این طریق ولتاژهای متفاوت دفع و یا الکترون های ساطع شده توسط کاتد را جذب می‌شدند. Triode در واقع امکان تغییر سریع جریان را فراهم می‌کرد. همچنین توانایی تقویت سیگنال و ولتاژ از مزایای دیگر آن بود که سبب شد در رادیوها و ارتباطات از راه دور مورد استقبال قرار بگیرد. اما با وجود این پیشرفت‌ها لوله‌های خلا همچنان حجیم و غیر قابل اعتماد بودند. کامپیوتر اولیه ENIAC با ۱۸۰۰۰ تریود اندازه‌ای در حدود یک زمین تنیس و ۳۰ تن وزن داشت.

لوله‌های خلا هر روز خراب می‌شدند و مصرف برق یک ساعت آن‌ٰها برابر با ۱۵ خانه در روز بود. راه حل تمام این معایب ترانزیستور بود که به جای الکترودها از نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون ترکیب شده با عناصر مختلف استفاده می‌کرد. ترانزیستورها از این سیلیکون برای ساختن فرستنده (emitter) الکترون N-Type و یک گیرنده (collector) الکترون P-Type بهره می‌برند که در سه لایه متناوب با یک ترمینال برای هر کدام مرتب شده‌اند. فرستنده یا emitter، پایه یا base و گیرنده یا collector که در تصویر زیر آن‌ها را در یک ترانزیستور معمولی NPN مشاهده می‌کنید.

به دلیل پدیده های خاص بین بخش‌های P-N، منطقه خاصی به نام اتصال P-N بین امیتر و پایه (در محل اتصال P-Type و N-Type در تصویر بالا) شکل می‌گیرد. زمانی که ولتاژ بیش از یک آستانه خاص اعمال می شود فقط برق را هدایت می کند. در غیر این صورت همچنان خاموش است. در تصویر زیر ارسال جریان بیشتر از ۵ ولتاژ در ترانزیستور نشان داده شده است.

به این ترتیب تغییرات کوچک در ولتاژ ورودی می‌تواند برای سوئیچ سریع بین جریان‌های بالا و پایین مورد استفاده قرار بگیرد. مزیت ترانزیستورها در کارایی و فشردگی آن‌ها نهفته است. از آنجا که نیاز به گرمایش ندارند دوام بیشتری دارند و انرژی کمتری استفاده می‌کنند. این قطعه الکترونیکی مانند فسفر در مغز عمل کرده و پایه اساس تمام محاسبات پردازشگر کامپیوتر است. با استفاده از یک چیپ کوچک به اندازه یک بند انگشت که از میلیون‌ها ترانزیستور تشکیل شده است می‌توان از کامپیوتر عظیم الجثه‌ای مانند ENIAC پیشی گرفت و تریلیون‌ها محاسبه در ثانیه انجام داد که نسبت به کامپیوترهای اولیه یک معجزه به نظر می‌رسد.

اما زیر همه این‌ محاسبات هر عمل به تنهایی به سادگی روشن کردن و خاموش کردن یک کلید است که توسط ترانزیستورها انجام می‌شود.