ترانزیستور ها : انقلابی در دنیای پردازش داده – توضیح ساده + ویدیو

 دانلود فایل ویدیویی

کامپیوتر های مدرن امروزی دارن زندگی مارو تغییر میدن. کارهایی انجام می دهند که چند دهه گذشته به نظر رویا می رسید. این تکنولوژی توسط نوآوری های بسیاری که در تاریخ صورت گرفت، بوجود آمد. اما در مرکز همه این نوآوری ها، یک چیز خاص وجود داره: ترانزیستور ها

خوب این ترانزیستور چیه؟ و چطور میشه که یه همچین وسیله ای اینهمه قابلیت های امروزی رو برای کامپیوتر ها بوجود بیاره؟

در جواب باید بگم که همه کامپیوتر ها در واقع همانطور که از اسمشون پیداست، ماشین های حسابگر معادلات ریاضی هستند.

اولین کامپیوتر های جهان از چرتکه قدیمی و امثال مکانیکی آن که بعدا ابداع شدند، تشکیل شده بودند. چیزی که اونا رو کامپیوتر می کرد این بود که آنها قابلیت نمایش اعداد و سیستمی برای تغییر و تدوین آنها داشتند. کامپیوتر های مدرن هم همینطور کار می کنند. اما به جای اجسام فیزیکی، از ولتاژ های الکتریکی برای نمایش اعداد و اطلاعات استفاده می کنند.

بیشتر این کامپیوتر ها از نوعی ریاضی به نام “منطق بولین” استفاده می کنند که فقط ۲ مقدار ممکن دارد: شرایط منطقی “صحیح” یا “غلط” که صورت اعداد باینری “۱” و “۰” نمایش داده می شوند. آنها در واقع ولتاژ بالا و ولتاژ پایین می باشند

معادلات ریاضی توسط درگاه مدار منطقی، به کاپمیوتر به صورت مقادیر باینری ۰ و ۱ وارد می شوند. ورودی ها باید مناطق شرطی تعریف شده توسط کامپیوتر را رد کرده، تا بتوانند مقادیر باینری ۰ و ۱ یا همان بله یا نه را بوجود بیاورند. این مدار ها ۳ عملکرد اصلی اتصال، جدایی و خنثی را اجرا می کنند.

نحوه کارکرد اتصال به این نحو است که، خروجی یا همان درگاه این مدار میتونه مقدار ولتاژ بالا تولید کنه فقط اگر هر ۲ ورودی آن دارای ولتاژ بالا باشند. و ۲ درگاه جدایی و خنثی هم با همین فرضیه مشابه کار می کنند.

مدار ها رو می توانیم با هم ترکیب کنیم تا عملیت های پیچیده تری مانند جمع و تفریق را بوجود آوریم. و برنامه های کامپیوتری هم، در اصل دستورالعمل هایی هستند که در کامپیوتر، این عملیات های الکترونیکی را اجرا می کنند. این سیستم نیازمند یک مکانیزم دقیق می باشد تا این تغییرات ولتاژ و الکتریکی رو کنترل کند. کامپیوتر های اولیه مثل “اِنیَک” از دستگاهی ساخته شده از لامپ های خلاء استفاده می کردند.

اجداد این لامپ، دیود ها بودند که از ۲ الکترود داخل یک محفظه شیشه ای خالی از هوا تشکیل شده بودند. اگر الکترود پایینی یا همان “کاتود” به منبع انرژی وصل بشه،  الکترون آزاد میکنه و اگر الکترود بالایی یا همان “آنود” در ولتاژ کمی بالاتر باشه، این الکترون ها را جذب میکنه تا سیکل مدار کامل بشه

میزان الکترون آزاد شده توسط کاتود رو میشه با کم و زیاد کردن منبع تغذیه آن، تغییر داد که باعث میشه الکترون بیشتر یا کمتری از خودش ساتع کنه.

نوآوری بعدی “ترایود” بود که همان دیود به اضافه یک سطح میانی نازک سیمی به نام “گرید” بود که الکترون ها می توانند از این سطح عبور کنند و به آنود برسند. با تغییر ولتاژ گرید، میتونیم کاری کنیم که مقداری از الکترون ها دفع شوند. یعنی میشه سریع میزان الکترون عبوری را تغییر داد. قابلیت تقویت سیگنال ها باعث شد که تریود برای دستگاه هایی مثل رادیو و تماس های دور تلفنی ضروری بشه

اما جدا از این نوآوری ها، لوله های شیشه ای ناپایدار بودند و همیشه می شکستند. کامپیوتر اِنییَک با ۱۸۰۰۰ ترایودی که داشت، ۳۰ تُن وزنش بود و اندازه یک استادیوم بیسبال بزرگ بود.

شیشه های ترایود ها هر روز میشکستند و باید تعویض می شدند و میزان برقی که در یک ساعت مصرف می کرد معادل برق مصرفی ۱۵ خانه در یک روز کامل بود.

راه حل این مشکل ” ترانزیستور ” بود

به جای استفاده از الکترود، از مواد نیمه کنداکتوری مثل سیلیکون آلیاژ شده با عناصر دیگری مثل فسفر استفاده می کنه تا ۲ قطب الکترون دهنده “اِن تایپ” و الکترون گیرنده “پی تایپ” بوجود بیاره.

 این قطب ها در ردیف های ۳ تایی متناوب که هر کدام دارای یک ورودی می باشند، کنار هم قرار می گیرند که به ترتیب: ساتع کننده، پایع و گیرنده می باشند.

در این ترانزیستور معمول “اِن پی آِن” با استفاده از فرآیند های خاص در سطوح تماس قطب ها، قسمت هایی به نام “اتصال پی اِن” در مرز بین قطب اِن و قطب پی بوجود می آید. این سطوح، فقط وقتی الکتریسیته و الکترون ها را انتقال می دهند که ولتاژ ورودی به ترانزیستور، از یک مقدار حداقل تعریف شده بیشتر باشد. در غیر این صورت خاموش می ماند. پس با این روش، با تغییرات کوچک در ولتاژ ورودی، می توان سریعا بین جریان های خروجی قوی و ضعیف سوییچ کرد

معجزه ترانزیستور ها به بازدهی و اندازه کوچک و تعداد بالا آنها می باشد و چون برای انتقال الکتریسیته نیاز به حرارت ندارند، پایدار تر و بسیار کم مصرف تر هستند.

کل قدرت پردازش کامپیوتر اِنییَک تولید شده از تریود ها را می توان با یک میکروپردازشگر ساخته شده از میلیارد ها ترانزیستور که جمعا به اندازه یک ناخن انگشت می باشند، انجام داد.

ترانزیستور به عنوان یکی از بزرگترین اختراعات در تاریخ نوین مطرح شده‌است و در رتبه‌بندی از لحاظ اهمیت، در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباطات الکترونیکی و الکتریکی قرار دارد.

ترانزیستور عنصر فعال بنیادی در الکترونیک مدرن است. اهمیت ترانزیستور در جامعهٔ امروز متکی به قابلیت تولید انبوه آن است که از یک فرایند ساخت کاملاً اتوماتیک که قیمت تمام شده هر ترانزیستور در آن بسیار ناچیز است، استفاده می‌کند.

اگرچه ترانزیستورها هنوز به صورت جداگانه نیز استفاده می‌شوند ولی بیشتر در مدارهای مجتمع (اغلب به صورت مختصر IC و همچنین میکرو چیپ یا به صورت ساده چیپ ساخته و نامیده می‌شوند) همراه با دیودها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیگر قطعات الکترونیکی برای ساخت یک مدار کامل الکترونیک به کار می‌روند.

مثلاً یک گیت منطقی حدود بیست ترانزیستور دارد یا یک ریزپردازنده پیشرفته سال ۲۰۰۶ از بیش از ۷٫۱ میلیون ترانزیستور ماسفت ساخته شده‌است.

به نظر میرسه کامپیوتر های امروزی با قدرت پردازش میلیارد ها معادله ریاضی در ثانیه، معجزه می کنند. اما در قلب تمام این کامپیوترها، عملیات هنوز به سادگی روشن و خاموش کردن یک چراغ انجام میشه.