Як працюють транзистори
Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.
Сучасні комп’ютери докорінно змінюють наше життя, виконуючи завдання, що здавалися неможливими лише десятиліття тому.
Це стало реальністю завдяки довгій послідовності інновацій.
Але є один фундаментальний винахід, від якого залежать майже всі інші — транзистор.
Що ж це таке?
І як цей елемент дозволяє комп’ютерам робити усі ті дивовижні речі?
У своїй основі всі комп’ютери є лише тим, що випливає з їхньої назви — вони є машинами, що виконують математичні операції.
Перші комп’ютери були ручними обчислювальними пристроями, як абак.
Тоді як у більш пізніх використовувалися механічні деталі.
Комп’ютерами їх робить те, що вони мають спосіб представлення чисел, а також систему для маніпулювання ними.
Електронні комп’ютери працюють аналогічним чином, але замість фізичних механізмів числа в них представлені електричною напругою.
Більшість таких комп’ютерів використовує розділ математики — булеву логіку, яка оперує лише двома логічними значеннями — істина і хибність, що позначається віковими числами один і нуль.
Вони представлені за допомогою високої та низької напруги.
Обчислення реалізуються за допомогою схем на логічних вентилях, які на виході дають одиницю або нуль, в залежності від того, чи задовольняє вхідний сигнал логічному твердженню.
Ці схеми виконують три основні логічні операції — кон’юнкцію, диз’юнкцію і заперечення.
Кон’юнкція виконує роль логічного вентиля і, який видає на виході напругу лише тоді, коли вона є на обох входах.
Інші логічні вентилі працюють схожим чином.
Схеми можна комбінувати для виконання складніших операцій, таких як додавання і віднімання.
Комп’ютерні програми складаються з інструкцій для виконання цих операцій за допомогою електроніки.
Такого роду системи потребують надійного і точного методу управління електричним струмом.
Перші електронно-обчислювальні машини, такі як ЕНІАК, використовували спеціальні прилади — електронні лампи.
Їхній реальний різновид, діод, складався з двох електродів у вакуумній скляній ємкості — катода й анода.
При пропусканні струму через катод, він нагрівається і вивільняє електрони.
Якщо анод має дещо вищій додатний потенціал, то електрони притягуються до нього, замикаючи електричне коло.
Цей односпрямований струм можна контролювати шляхом зміни напруги на катоді, що примушує його випускати більше або менше електронів.
Наступним етапом бук тріод.
У ньому використовується третій електрод-сітка.
Це екран з тонкого дроту між катодом і анодом, через який можуть проходити електрони.
При зміні напруги сітка може або відштовхувати, або притягати електрони, випущені катодом, забезпечуючи цим швидке перемикання струму.
Здатність підсилювати сигнал зробила тріод важливим елементом радіо та зв’язку на великих відстанях.
Але, не зважаючи на ці досягнення, електронні лампи були ненадійними й громіздкими.
ЕНІАК з 18 тисячами діодів був розміром з тенісний корт і мав масу 30 тонн.
Лампи виходили з ладу щодня і за одну годину споживали стільки ж електроенергії, скільки використовували 15 будинків за цілий день.
Рішенням став транзистор.
Замість електродів, він використовує напівпровідники, як от кремній, оброблений різними елементами для створення багатих електронами напівпровідників н-типу і збіднених електронами напівпровідників п-типу.
Ці напівпровідники розміщуються в три шари з виводом на кожному — емітер, база і колектор.
У цьому звичайному н-п-н транзисторі в результаті певних явищ на межі розділу п і н формується особлива область під назвою п-н перехід.
Наприклад, між емітером і базою.
Він пропускає струм лише тоді, коли подана напруга перевищує визначений поріг.
В іншому випадку цей перехід буде закритим.
Таким чином невеликі зміни напруги на вході можна використати для швидкого перемикання між високим і низьким рівнями напруги на виході.
Перевага транзистора полягає в його ефективності та компактності.
Через те, що транзистори не вимагають нагрівання, вони більш довговічні й споживають менше енергії.
Можливості ЕНІАКа тепер може перевершити один маленький мікрочип, що містить мільярди транзисторів.
Виконуючи трильйони обчислень за секунду, сучасні комп’ютери здаються дивом, але в основі всього цього кожна окрема операція все ще так само проста, як клацання вимикача.
