ทรานซิสเตอร์คืออะไร?

ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์เล็ก ๆ ที่สามารถเรียกใช้สัญญาณไฟฟ้า พวกเขาเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของไมโครชิปและกำหนดความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์โดยประมาณ พวกเขาซึมซับหลายแง่มุมของชีวิตประจำวันของเราในทุกสิ่งตั้งแต่กล่องนมไปจนถึงแล็ปท็อปแสดงให้เห็นว่าพวกเขามีประโยชน์อย่างไร

ทรานซิสเตอร์ทำงานอย่างไร?

สวิตช์เชิงกลแบบดั้งเดิมนั้นเปิดใช้งานหรือปิดใช้งานการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยการเชื่อมต่อทางร่างกาย (หรือตัดการเชื่อมต่อ) ปลายสองเส้น ในทรานซิสเตอร์สัญญาณจะบอกให้อุปกรณ์ดำเนินการหรือป้องกันได้ดังนั้นจึงเปิดใช้งานหรือปิดการใช้งานการไหลของกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติของการทำหน้าที่เหมือนฉนวนในบางสถานการณ์และเช่นเดียวกับตัวนำในคนอื่น ๆ นั้นมีลักษณะเฉพาะสำหรับวัสดุพิเศษที่รู้จักกันในชื่อ "เซมิคอนดักเตอร์"

ก่อนที่เราจะเจาะลึกความลับของการทำงานของพฤติกรรมนี้และวิธีการควบคุมให้เราเข้าใจว่าทำไมความสามารถในการกระตุ้นนี้จึงสำคัญมาก

ยูทิลิตี้ของสวิตช์ที่ถูกเรียกใช้สัญญาณ

สวิตช์ที่เรียกสัญญาณแรกคือรีเลย์ รีเลย์ใช้แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อพลิกสวิตช์แม่เหล็ก ที่นี่เราเห็นการถ่ายทอดสองรูปแบบ: หนึ่งที่สัญญาณเปิดสวิตช์ อื่น ๆ ที่สัญญาณปิดสวิตช์:

เพื่อให้เข้าใจว่าสวิตช์ที่เรียกใช้สัญญาณเปิดใช้งานการคำนวณก่อนอื่นลองนึกภาพแบตเตอรี่ที่มีสวิตช์สองตัวและแสง มีสองวิธีที่เราสามารถขอสิ่งเหล่านี้ได้ เป็นอนุกรมทั้งคู่สวิตช์จะต้องเปิดให้แสงเปิด สิ่งนี้เรียกว่า "บูลีนและ" พฤติกรรม:

ในแบบคู่ขนานอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างสวิตช์จะต้องเปิดให้แสงเปิด สิ่งนี้เรียกว่า "บูลีนหรือ" พฤติกรรม:

ถ้าเราต้องการให้แสงเปลี่ยนบนถ้าทั้งสวิตช์เปิดอยู่ แต่ปิดถ้าทั้งคู่สวิตช์หรือเปิด? พฤติกรรมดังกล่าวเรียกว่า "บูลีน Xor" สำหรับ "พิเศษหรือ" ไม่เหมือนและหรือหรือหรือเป็นเป็นไปไม่ได้เพื่อให้บรรลุพฤติกรรม XOR โดยใช้สวิตช์เปิด/ปิด ... นั่นคือเว้นแต่ว่าเรามีวิธีการเรียกสวิตช์ด้วยสัญญาณจากสวิตช์อื่น นี่คือวงจรรีเลย์ที่มีพฤติกรรม XOR:

การทำความเข้าใจว่าพฤติกรรม XOR เป็นสิ่งที่ช่วยให้เราสามารถ "พกพา 10" เมื่อทำการเพิ่มเติมได้ชัดเจนว่าทำไมสวิตช์ที่ถูกเรียกใช้สัญญาณจึงมีความสำคัญต่อการคำนวณ วงจรที่คล้ายกันสามารถสร้างขึ้นสำหรับการคำนวณทุกประเภทรวมถึงการเพิ่มการลบการคูณการแบ่งการแปลงระหว่างไบนารี (ฐาน 2) และทศนิยม (ฐาน 10) และอื่น ๆ ขีด จำกัด เพียงอย่างเดียวสำหรับกำลังคอมพิวเตอร์ของเราคือจำนวนสวิตช์ที่เรียกใช้สัญญาณที่เราสามารถใช้ได้ เครื่องคิดเลขและคอมพิวเตอร์ทั้งหมดบรรลุพลังลึกลับด้วยวิธีนี้

ผ่านสัญญาณวนซ้ำไปข้างหลังหน่วยความจำบางประเภทจะเกิดขึ้นได้โดยสวิตช์ที่ถูกเรียกใช้สัญญาณเช่นกัน ในขณะที่วิธีการจัดเก็บข้อมูลนี้ได้นำเบาะหลังไปยังสื่อแม่เหล็กและออปติคัล แต่ก็ยังเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยเช่นแคช

รีเลย์คอมพิวเตอร์

ในขณะที่รีเลย์ถูกนำมาใช้ตั้งแต่การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1824 - โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปี 1837สิ่งประดิษฐ์ของโทรเลข- พวกเขาจะไม่ถูกใช้สำหรับการคำนวณจนถึงศตวรรษที่ 20 คอมพิวเตอร์รีเลย์ที่โดดเด่นรวมถึง Z1 ถึง Z3 (1938-1941) และ Harvard Marks I และ II (1944 และ 1947) ปัญหาเกี่ยวกับรีเลย์คือแม่เหล็กไฟฟ้าของพวกเขาใช้พลังงานจำนวนมากและสิ่งที่สูญเสียพลังงานกลายเป็นความร้อน สำหรับสิ่งนี้คอมพิวเตอร์รีเลย์ต้องการการระบายความร้อนอย่างกว้างขวาง ยิ่งไปกว่านั้นรีเลย์มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวดังนั้นพวกเขาจึงมีแนวโน้มที่จะทำลาย

ท่อสูญญากาศ

ผู้สืบทอดต่อการถ่ายทอดคือหลอดสูญญากาศ แทนที่จะพึ่งพาสวิตช์แม่เหล็กหลอดเหล่านี้อาศัย“ เอฟเฟกต์เทอร์โมนิค” และคล้ายกับหลอดไฟสลัว ท่อสูญญากาศได้รับการพัฒนาควบคู่ไปกับหลอดไฟตลอดศตวรรษที่ 19 และถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในวงจรขยายในปี 1906 ในขณะที่ขาดชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเส้นใยของพวกเขาทำงานได้นานก่อนที่จะถูกเผาไหม้และการก่อสร้างกระจกปิดผนึกของพวกเขา

การทำความเข้าใจว่าท่อสูญญากาศขยายตัวนั้นง่ายพอ ๆ กับการเข้าใจว่าลำโพงนั้นไม่เกินชิ้นส่วนของผ้าที่เคลื่อนที่ไปมาขึ้นอยู่กับว่าสายไฟที่อยู่ด้านหลังเปิดหรือปิด เราสามารถใช้สัญญาณพลังงานต่ำเพื่อใช้งานลำโพงที่มีขนาดใหญ่มากหากเราป้อนสัญญาณลงในสวิตช์ที่ถูกกระตุ้นด้วยสัญญาณ เนื่องจากท่อสูญญากาศทำงานได้เร็วกว่ารีเลย์มากพวกเขาจึงสามารถติดตามความถี่ในการเปิด/ปิดที่ใช้ในการพูดและดนตรีของมนุษย์

คอมพิวเตอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้เครื่องแรกที่ใช้หลอดสูญญากาศคือปี 1943 Colossus สร้างขึ้นเพื่อถอดรหัสรหัสในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง มันมีมากกว่า 17,000 หลอด ต่อมา eniac 1946 กลายเป็นคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกความสามารถในการแก้ปัญหาตัวเลขขนาดใหญ่รวมถึงมีประมาณ 17,000 หลอด โดยเฉลี่ยหลอดล้มเหลวทุกสองวันและใช้เวลา 15 นาทีในการค้นหาและแทนที่

ในที่สุดทรานซิสเตอร์!

ทรานซิสเตอร์ (Portmanteaux ของ“ทรานส์Mitter” และ“ resItor”) พึ่งพาการเล่นโวหารของกลศาสตร์ควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อ“ รูอิเล็กตรอน” หลุมคือการขาดอิเล็กตรอนที่จุดหนึ่งที่สามารถมีอยู่ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

ทรานซิสเตอร์“ จุดติดต่อ” ครั้งแรกปรากฏตัวในปี 2490 ด้วยผลงานของจอห์นบาร์เดนวอลเตอร์แบรตเทนและวิลเลียมช็อตลีย์ โปรดทราบว่าอิเล็กตรอนถูกค้นพบในปี 1878 เท่านั้นและสมมติฐานควอนตัมครั้งแรกของ Max Planck นั้นเกิดขึ้นในปี 1900 เท่านั้นด้านบนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงที่มีอยู่ในปี 1940 เท่านั้น

ทรานซิสเตอร์ที่สัมผัสกับจุดถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์“ Bipolar Junction” (BJTs) และ“ Field Effect” ทรานซิสเตอร์ (FETs) (FET) ทั้ง BJT และ FETs พึ่งพาการฝึกฝนที่เรียกว่า "ยาสลบ" การเติมซิลิคอนด้วยโบรอนสร้างวัสดุที่มีรูอิเล็กตรอนมากมายที่รู้จักกันในชื่อซิลิกอน“ P-type” ในทำนองเดียวกันการเติมซิลิคอนกับฟอสฟอรัสสร้างวัสดุที่มีอิเล็กตรอนมากมายที่รู้จักกันในชื่อซิลิกอน“ N-type” BJT ทำจากสามชั้นสลับของซิลิกอนประเภทดังนั้นจึงมีการกำหนดค่า“ PNP” หรือ“ NPN” FET ทำโดยการแกะสลักสองหลุมของซิลิกอนประเภทหนึ่งในช่องของอีกช่องหนึ่งดังนั้นจึงมีการกำหนดค่า“ N-channel” หรือ“ P-channel” ทรานซิสเตอร์ PNP และทรานซิสเตอร์ N-channel ทำหน้าที่คล้ายกับ "สัญญาณเปิดสัญญาณเปิด" รีเลย์และหลอด; ทรานซิสเตอร์ NPN และทรานซิสเตอร์ P-channel ทำงานเช่นเดียวกันกับรีเลย์และหลอดปิดสัญญาณและหลอด

ทรานซิสเตอร์มีการศึกษามากกว่าท่อสูญญากาศ มากจนไม่มีเทคโนโลยีใดที่จะเอาชนะพวกเขาได้ พวกเขายังคงใช้ในปัจจุบัน

วงจรบูรณาการและกฎของมัวร์

คอมพิวเตอร์ทรานซิสเตอร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 2496 โดยมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์สัมผัส 200 จุดในรูปแบบของคอมพิวเตอร์รีเลย์ก่อนหน้านี้และคอมพิวเตอร์สูญญากาศ รูปแบบของการเดินสายทรานซิสเตอร์แต่ละตัวในไม่ช้าก็หลุดออกจากการฝึกด้วยความจริงที่ว่า BJT และ FET สามารถผลิตในวงจรรวม (ICS) ซึ่งหมายความว่าซิลิคอนผลึกเดียวสามารถได้รับการปฏิบัติด้วยวิธีพิเศษในการขยายทรานซิสเตอร์หลายตัวด้วยการเดินสายที่มีอยู่แล้ว

IC แรกถูกสร้างขึ้นในปี 1971 ตั้งแต่ปีนั้นทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ซึ่งจำนวนเงินพอดีกับ IC ได้เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกสองปีกฎของมัวร์- ในช่วงเวลานั้นและตอนนี้คอมพิวเตอร์ได้แทรกซึมอยู่ในแง่มุมของชีวิตสมัยใหม่