Код. Тайный язык информатики

Германий и кремний (а также некоторые соединения) называются полупроводниками не потому, что они проводят электричество в два раза хуже, чем проводники, а потому, что их проводимостью можно управлять различными способами. Полупроводники имеют четыре электрона на внешней оболочке атома, что составляет половину от их максимально возможного количества. В чистом полупроводнике атомы образуют очень устойчивые связи, создавая кристаллическую решетку, подобную кристаллической решетке алмаза. Такие полупроводники проводят электричество не очень хорошо.

Однако полупроводники можно легировать, то есть добавить в них некоторые примеси. Один тип примесей добавляет дополнительные электроны к тем, которые необходимы для создания связи между атомами. Они называются полупроводниками n-типа (n — от английского negative — «отрицательный»). В результате добавления другого типа примесей получается полупроводник p-типа (p — от positive — «положительный»).

Чтобы создать усилитель из полупроводников, нужно между двумя слоями полупроводника n-типа расположить прослойку из полупроводника p-типа. Получившееся устройство называется NPN-транзистором, а тремя его составными частями являются коллектор, база и эмиттер.

На рисунке приведено схематическое изображение NPN-транзистора.

Небольшое напряжение на базе управляет гораздо большим током, проходящим от коллектора к эмиттеру. При отсутствии напряжения на базе транзистор закрывается.

Как правило, транзисторы имеют вид небольших металлических цилиндров диаметром примерно 6,4 миллиметра с тремя проводами.

Разработка транзистора ознаменовала начало эры твердотельной электроники, которая называется так потому, что транзисторы не требуют использования вакуумных ламп и создаются из твердых веществ, в частности из полупроводников, чаще всего из кремния (в наши дни). Помимо того, что по сравнению с вакуумными лампами транзисторы имеют куда меньшие размеры, они потребляют гораздо меньше электроэнергии, генерируют меньше тепла и дольше служат. Носить в кармане ламповый радиоприемник было невозможно. Транзисторный радиоприемник может питаться от небольшой батарейки и, в отличие от лампового, не нагревается. Ношение транзисторного радиоприемника в кармане стало возможным для некоторых счастливчиков, распаковавших подарки в рождественское утро 1954 года. В этих первых карманных радиоприемниках использовались транзисторы, выпущенные компанией Texas Instruments, сыгравшей важную роль в полупроводниковой революции.

Однако первым коммерческим применением транзисторов было их использование в слуховых аппаратах. В память о многолетней работе Александра Белла с глухими людьми корпорация AT&T разрешила изготовителям слуховых аппаратов применять транзисторные технологии, не платя за использование патентов. Первый транзисторный телевизор был выпущен в 1960 году, и сегодня ламповых приборов практически не найти. (Хотя некоторые меломаны и электрогитаристы по-прежнему предпочитают ламповые усилители их транзисторным аналогам.)

В 1956 году Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать компанию Shockley Semiconductor Laboratories. Он переехал в Пало-Альто (Калифорния), где вырос. Его компания стала первым местным предприятием, работающим в данном направлении. Со временем в этой местности появились другие полупроводниковые и компьютерные компании, а область к югу от Сан-Франциско теперь неофициально называется Кремниевой долиной.

Вакуумные лампы изначально разрабатывались для применения в усилителях, однако их также можно было использовать в качестве переключателей в логических вентилях. То же самое касается транзистора. На следующем рисунке изображен вентиль И на основе транзисторов, структура которого напоминает версию с реле. Только когда входы A и B равны логической единице, то есть на базу подается положительное напряжение, оба транзистора проводят ток, а выход равен 1. Резистор при этом предотвращает короткое замыкание.

Соединив два транзистора так, как показано на схеме справа, вы получите вентиль ИЛИ. В вентиле И эмиттер верхнего транзистора соединен с коллектором нижнего. В вентиле ИЛИ коллекторы обоих транзисторов подключены к источнику питания. Эмиттеры соединены между собой.

Как видите, все, что мы узнали о создании логических вентилей и других компонентов из реле, справедливо и для транзисторов. Реле, лампы и транзисторы изначально разрабатывались в основном для усилителей, однако из них можно собрать логические вентили для компьютеров. Первые транзисторные компьютеры были созданы в 1956 году, и спустя несколько лет лампы перестали применяться.

Транзисторы, безусловно, делают компьютеры более надежными, компактными и экономичными. Но облегчают ли они процесс сборки?