How transistors work - Gokul J. Krishnan

كيف تعمل الترانزستورات - جوكول كريشنان

المترجم: Ahmad Hamdan المدقّق: Hani Eldalees

Modern computers are revolutionizing our lives,

أحدثت أجهزة الحاسوب الحديثة ثورة في حياتنا،

performing tasks unimaginable only decades ago.

بقيامها بأداء مهام لم يكن من الممكن تصورها منذ عقود

This was made possible by a long series of innovations,

وأصبح ذلك ممكنا من خلال سلسلة طويلة من الابتكارات،

but there's one foundational invention that almost everything else relies upon:

ولكن هناك اختراع أساسي واحد والذي يعتمد كل شيء آخر عليه تقريبا

the transistor.

وهو اختراع: الترانزستور.

So what is that,

إذا ما هو الترانزستور،

and how does such a device enable all the amazing things computers can do?

وكيف يمكن لهذا الجهاز إتاحة كل الأمور المدهشة التي تقوم بها أجهزة الحاسوب؟

Well, at their core, all computers are just what the name implies,

حسناً، أجهزة الحاسوب هي كما الاسم في جوهرها تماماً،

machines that perform mathematical operations.

فهي أجهزة تقوم بحوسبة الإجراءات الحسابية،

The earliest computers were manual counting devices,

كانت الحواسب البدائية عبارة عن أجهزة عدّ يدوي،

like the abacus,

مثل المعداد،

while later ones used mechanical parts.

بينما تضمنت الأجهزة اللاحقة أجزاءً ميكانيكية.

What made them computers was having a way to represent numbers

والسبب في تسميتها حواسيب هو قدرتها على تمثيل الأرقام

and a system for manipulating them.

واحتوائها على نظام للقيام بالإجراءات الحسابية.

Electronic computers work the same way,

تعمل الحواسيب الإلكترونية بنفس الطريقة،

but instead of physical arrangements,

ولكن بدلاً من المقاييس المادية،

the numbers are represented by electric voltages.

يتم تمثيل الأرقام على شكل فولتيات كهربائية.

Most such computers use a type of math called Boolean logic

يستخدم معظم هذه الأجهزة "المنطق البولياني"

that has only two possible values,

والذي يعتمد على عنصرين فقط،

the logical conditions true and false,

وهما العناصر المنطقية "نعم" و "لا"

denoted by binary digits one and zero.

وتمثل من خلال الأرقام الثنائية "١" و "٠"

They are represented by high and low voltages.

ويتم تمثيلها على هيئة فولتية كهربائية عالية ومنخفضة.

Equations are implemented via logic gate circuits

ويتم تطبيق المعادلات الرياضية من خلال دوائر البوابات المنطقية

that produce an output of one or zero

والتي تنتج مخرجات على شكل واحد وصفر

based on whether the inputs satisfy a certain logical statement.

اعتماداً على استيفاء المعطيات للشروط المنطقية.

These circuits perform three fundamental logical operations,

تقوم هذه الدوائر بتطبيق ثلاث عمليات منطقية أساسية،

conjunction, disjunction, and negation.

العطف، الجمع، والنفي.

The way conjunction works is an "and gate" provides a high-voltage output

تقوم بوابة العطف بإنتاج فولتية كهربائية عالية

only if it receives two high-voltage inputs,

فقط في حال تلقيها لشحنتين متزامنتين من الفولتية الكهربائية العالية،

and the other gates work by similar principles.

وتعمل دوائر البوابات المنطقية الاخرى وفقاً لمبدئ مماثل.

Circuits can be combined to perform complex operations,

ويمكن الجمع بين دوائر البوابات المنطقية لأداء عمليات معقدة،

like addition and subtraction.

مثل عمليات الجمع والطرح.

And computer programs consist of instructions

وتتضمن برامج الحاسوب

for electronically performing these operations.

تعليمات لأداء هذه العمليات إلكترونياً.

This kind of system needs a reliable and accurate method

يحتاج هذا النوع من الأنظمة الى طريقة موثوقة ودقيقة

for controlling electric current.

للتحكم في الدوائر الكهربائية.

Early electronic computers, like the ENIAC,

الحواسيب الإلكترونية القديمة مثل حاسوب "اينياك"

used a device called the vacuum tube.

يستخدم جهازاً يسمى الصمام المفرغ.

Its early form, the diode,

في صيغة مبدئية، الصمام الثنائي،

consisted of two electrodes in an evacuated glass container.

ويتكون من قطبين كهربائيين في وعاء زجاجي مفرغ من الهواء.

Applying a voltage to the cathode makes it heat up and release electrons.

يسخن القطب السالب ويطلق الالكترونات من خلال تزويده بفولتية كهربائية.

If the anode is at a slightly higher positive potential,

وفي حال كان القطب الموجب في حالة استثارة كهربائية موجبة،

the electrons are attracted to it,

تنجذب إليه الإلكترونات،

completing the circuit.

وتكتمل الدائرة الكهربائية.

This unidirectional current flow could be controlled

يمكن السيطرة على تدفق التيار الأحادي الاتجاه

by varying the voltage to the cathode,

من خلال تزويد القطب السالب بمعدلات فولتية متفاوتة،

which makes it release more or less electrons.

مما يتحكم في معدلات إطلاق الإلكترونات.

The next stage was the triode,

المرحلة التالية وهي الصمام الثلاثي،

which uses a third electrode called the grid.

والذي يستخدم قطب ثالث يسمى الشبكة.

This is a wire screen between the cathode and anode

وهو عبارة عن شبكة سلكية تفصل ما بين القطب السالب والموجب

through which electrons could pass.

والذي يمكن للإلكترونات العبور من خلاله.

Varying its voltage makes it either repel

قد يؤدي التحكم بمعدلات الفولتية فيه إلى طرد

or attract the electrons emitted by the cathode,

أو جذب الإلكترونات المنبعثة من القطب السالب،

thus, enabling fast current-switching.

وبالتالي، تمكين سريع لعملية تحويل التيار.

The ability to amplify signals also made the triode crucial for radio

قدرة الصمام الثلاثي على تضخيم الإشارات جعلته جزءً هاماً في عمليات الإذاعة

and long distance communication.

والإتصالات بعيدة المدى.

But despite these advancements, vacuum tubes were unreliable and bulky.

لكن وعلى الرغم من هذه التطورات، إلا أن الأنابيب المفرغة ضخمة وغير جدير بالثقة.

With 18,000 triodes, ENIAC was nearly the size of a tennis court

مع ١٨٠٠٠ من الصمامات الثلاثية، كان حجم "اينياك" تقريباً كحجم ملعب تنس

and weighed 30 tons.

ويزن ما يعادل ٣٠ طناً.

Tubes failed every other day,

وكانت الأنابيب المفرغة معرضة للتلف،

and in one hour, it consumed the amount of electricity used by 15 homes in a day.

وفي ساعة واحدة، كان يستهلك ما يعادل استهلاك ١٥ منزلاً من الكهرباء في يوم واحد.

The solution was the transistor.

وكان الحل استخدام الترانزستور.

Instead of electrodes, it uses a semiconductor,

فبدلاً من استخدام الأقطاب الكهربائية، يتم استخدام أشباه الموصلات

like silicon treated with different elements

مثل السيليكون المعالج مع عناصر مختلفة

to create an electron-emitting N-type,

لخلق الباعث للإلكترون من نوع N،

and an electron absorbing P-type.

والمجمع للإلكترون من نوع P،

These are arranged in three alternating layers

ويتم ترتيبها في ثلاثة طبقات متعاقبة

with a terminal at each.

ولكل منها طرف موصل معدني.

The emitter, the base, and the collector.

الباعث، القاعدة، والجامع.

In this typical NPN transistor,

في هذا الترانزستور النموذجي من نوع NPN،

due to certain phenomena at the P-N interface,

ونظراً لبعض الظواهر في واجهة P-N،

a special region called a P-N junction forms between the emitter and base.

يتم تشكيل منطقة خاصة تسمى تقاطع P-N بين الباعث والقاعدة.

It only conducts electricity

والتي تقوم فقط بتوصيل الكهرباء

when a voltage exceeding a certain threshold is applied.

في حال تم تجاوز حد معين من الفولتية.

Otherwise, it remains switched off.

خلاف ذلك، تبقى الدائرة مغلقة.

In this way, small variations in the input voltage

وبهذه الطريقة، فان التفاوت الصغير في الفولتية الكهربائية

can be used to quickly switch between high and low-output currents.

يمكن استخدامه للتحويل ما بين التيارات العالية والمنخفضة.

The advantage of the transistor lies in its efficiency and compactness.

تكمن ميزة الترانزستورات في كفاءتها وصغر حجمها.

Because they don't require heating, they're more durable and use less power.

ولأنها لا تحتاج إلى تسخين، فإنها أكثر دواماً وأقل استخداماً للطاقة.

ENIAC's functionality can now be surpassed by a single fingernail-sized microchip

يمكن الإستغناء عن "اينياك" الآن من خلال استخدام رقاقة بحجم ظفر الاصبع.

containing billions of transistors.

تحتوي على مليارات من الترانزستورات.

At trillions of calculations per second,

وتريليونات من العمليات الحسابية في الثانية الواحدة،

today's computers may seem like they're performing miracles,

تبدو أجهزة الكمبيوتر في يومنا هذا وكأنها تصنع المعجزات

but underneath it all,

ولكن خلف كل ذلك،

each individual operation is still as simple as the flick of a switch.

كل عملية ليست ببساطة إلا نقرة مفتاح.