How transistors work - Gokul J. Krishnan

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Sigal Tifferet

Modern computers are revolutionizing our lives,

מחשבים מודרניים עושים מהפכה בחיינו,

performing tasks unimaginable only decades ago.

מבצעים משימות שלפני כמה עשורים נראו בלתי אפשריות.

This was made possible by a long series of innovations,

זה אפשרי בשל סדרה ארוכה של חידושים,

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

אבל יש המצאה בסיסית אחת שכמעט כל השאר תלויות בה:

the transistor.

הטרנזיסטור.

So what is that,

אז מה זה,

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

ואיך כזה מכשיר מאפשר את כל הדברים המדהימים שמחשבים יכולים לעשות?

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

ובכן, בבסיסם, כל המחשבים הם מה שהשם מציע,

machines that perform mathematical operations.

מכונות שמבצעות פעולות מתמטיות.

The earliest computers were manual counting devices,

המחשבים הראשונים היו מכונות ספירה ידניות,

like the abacus,

כמו החשבוניה,

while later ones used mechanical parts.

בעוד המאוחרים יותר השתמשו בחלקים מכאניים.

What made them computers was having a way to represent numbers

מה שעשה אותם מחשבים היה שיש להם דרך לייצג מספרים

and a system for manipulating them.

ומערכת לפעול עליהם.

Electronic computers work the same way,

מחשבים אלקטרוניים עובדים באותה דרך,

but instead of physical arrangements,

אבל במקום ארגון פיזי,

the numbers are represented by electric voltages.

המספרים מיוצגים על ידי מתחים חשמליים.

Most such computers use a type of math called Boolean logic

רוב המחשבים משתמשים בסוג מתמטי שנקרא לוגיקה בוליאנית

that has only two possible values,

שבה יש רק שני ערכים אפשריים,

the logical conditions true and false,

המצבים הלוגיים אמת או שקר,

denoted by binary digits one and zero.

שמצויינים על ידי הספרות הבינאריות אחת ואפס.

They are represented by high and low voltages.

הן מיוצגות על ידי מתח גבוה ונמוך.

Equations are implemented via logic gate circuits

משוואות מיושמות דרך מעגלי שער לוגי

that produce an output of one or zero

שמייצרים פלט של אחד ואפס

based on whether the inputs satisfy a certain logical statement.

בהתבסס על אם הקלט מרצה הצהרה לוגית מסויימת.

These circuits perform three fundamental logical operations,

המעגלים האלה מבצעים שלוש פעולות לוגיות בסיסיות,

conjunction, disjunction, and negation.

חיבור, או, ושלילה.

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

הדרך בה חיבור עובד היא "שער ו" שמספק פלט במתח גבוה

only if it receives two high-voltage inputs,

רק אם הוא מקבל שני מתחים גבוהים,

and the other gates work by similar principles.

והשערים האחרים עובדים לפי עקרונות דומים.

Circuits can be combined to perform complex operations,

מעגלים יכולים להיות משולבים כדי לבצע משוואות מורכבות,

like addition and subtraction.

כמו חיבור וחיסור.

And computer programs consist of instructions

ותוכנות מחשב מכילות הוראות

for electronically performing these operations.

לביצוע אלקטרוני של הפעולות האלו.

This kind of system needs a reliable and accurate method

סוגים כאלה של מערכות צריכות שיטה אמינה ומדוייקת

for controlling electric current.

לשליטה על זרמים אלקטרוניים.

Early electronic computers, like the ENIAC,

מחשבים אלקטרוניים מוקדמים, כמו ה ENIAC,

used a device called the vacuum tube.

השתמשו במכשיר שנקרא שפופרת ואקום.

Its early form, the diode,

הצורה המוקדמת שלה, הדיודה,

consisted of two electrodes in an evacuated glass container.

הכילה שתי אלקטרודות במיכל זכוכית מפונה.

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

הפעלת מתח על הקטודה גורמת לה להתחמם ולשחרר אלקטרונים.

If the anode is at a slightly higher positive potential,

אם האנודה בפונטציאל חיובי גבוה במעט,

the electrons are attracted to it,

האלקטרונים נמשכים אליה,

completing the circuit.

ומשלימים את המעגל.

This unidirectional current flow could be controlled

הזרם החד כיווני הזה יכול להישלט

by varying the voltage to the cathode,

על ידי שינוי המתח בקתודה,

which makes it release more or less electrons.

מה שגורם לה לשחרר יותר או פחות אלקטרונים.

The next stage was the triode,

השלב הבא היה טריודה,

which uses a third electrode called the grid.

שמשתמשת באלקטרודה שלישית שנקראת הגריד.

This is a wire screen between the cathode and anode

זה מסך חוטי בין הקטודה לאנודה

through which electrons could pass.

דרכו האקלטרונים יכולים לעבור.

Varying its voltage makes it either repel

שינוי המתח שלה גורם לה או לדחות

or attract the electrons emitted by the cathode,

או למשוך את האלקטרונים שמופצים על ידי הקטודה,

thus, enabling fast current-switching.

לכן, זה מאפשר מיתוג מתח מהיר.

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

היכולת להגביר את האות הפכה את הטריודה לחיונית גם לרדיו

and long distance communication.

ותקשורת לטווח ארוך.

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

אבל למרות ההתקדמויות האלו, שפופרות ואקום היו מגושמות ולא אמינות.

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

עם 18,000 טריודות, ENIAC היה כמעט בגודל של מגרש טניס

and weighed 30 tons.

ושקל 30 טון.

Tubes failed every other day,

שפופרות כשלו כל יום כמעט,

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

ובשעה אחת, הוא צרך כמות חשמל ש 15 בתים צורכים ביום.

The solution was the transistor.

הפיתרון היה הטרנזיסטור.

Instead of electrodes, it uses a semiconductor,

במקום אלקטרודות הוא השתמש במוליכים למחצה,

like silicon treated with different elements

כמו סיליקון שמטופל ביסודות שונים

to create an electron-emitting N-type,

כדי ליצור סוג N משגר אלקטרונים,

and an electron absorbing P-type.

ואלקטרודת P סופגת אלקטרונים.

These are arranged in three alternating layers

אלה מסודרות בשלוש שכבות מתחלפות

with a terminal at each.

עם טרמינל בכל אחת.

The emitter, the base, and the collector.

המשדר, הבסיס, והאוסף.

In this typical NPN transistor,

בסוג מסויים זה של טרנזיסטור NPN,

due to certain phenomena at the P-N interface,

בשל תופעה מסויימת בממשק ה P-N,

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

האזור המיוחד שנקרא צומת P-N נוצר בין המשדר לבסיס.

It only conducts electricity

הוא מוליך חשמל רק

when a voltage exceeding a certain threshold is applied.

כשהמתח שמפעילים עובר סף מסויים.

Otherwise, it remains switched off.

אחרת, הוא נשאר כבוי.

In this way, small variations in the input voltage

בדרך זו, שינויים קלים במתח הקלט

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

יכולים להיות בשימוש כדי להחליף במהירות בין מתח קלט גבוה לנמוך.

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

הייתרון של הטרנזיסטור נמצא ביעילות ובקומפקטיות.

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

בגלל שהם לא דורשים חימום, הם יותר עמידים ומשתמשים בפחות חשמל.

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

היום מיקרו צ'יפ בודד בגודל ציפורן שמכיל מליוני טרנזיסטורים.

containing billions of transistors.

יכול לעבור את הפונקצינליות של ENIAC

At trillions of calculations per second,

בטריליוני חישובים לשניה,

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

המחשבים של היום נראים כאילו הם מבצעים ניסים,

but underneath it all,

אבל בבסיסם,

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

כל פעולה בודדת עדיין פשוטה כמו לחיצה על מתג.