How transistors work - Gokul J. Krishnan

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

Modern computers are revolutionizing our lives,

数十年前には想像もできなかったような タスクを行う

performing tasks unimaginable only decades ago.

近代のコンピューターにより 私達の生活は一変しました

This was made possible by a long series of innovations,

これは長年にわたる 一連の発明により実現したのですが

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

他のほぼ全ての発明が依存する 根本的な発明が

the transistor.

トランジスターです

So what is that,

では これはどんな物で

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

どの様にして コンピューターの素晴らしい 機能を実現しているのでしょうか？

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

コンピューターはその名の通り

machines that perform mathematical operations.

計算を行う機械です

The earliest computers were manual counting devices,

初期の計算機は 手動で数え上げる道具で

like the abacus,

そろばん等がありますが

while later ones used mechanical parts.

その後は機械部品を 使用するようになりました

What made them computers was having a way to represent numbers

機械式計算機により 数字を表し

and a system for manipulating them.

これを操作する方法が得られました

Electronic computers work the same way,

電子計算機の仕組みは同じですが

but instead of physical arrangements,

物理的な配列ではなく

the numbers are represented by electric voltages.

電圧で数字を表すのです

Most such computers use a type of math called Boolean logic

こういったコンピューターは 論理的に真か偽かという

that has only two possible values,

２つの値だけを使用する

the logical conditions true and false,

ブール論理という数学を利用し

denoted by binary digits one and zero.

１と０で表現されますが

They are represented by high and low voltages.

これには高電圧と低電圧が対応しています

Equations are implemented via logic gate circuits

等式は入力が ある論理文を 満たすかどうかに基づいて

that produce an output of one or zero

１か０を出力する 論理回路を

based on whether the inputs satisfy a certain logical statement.

使用して実装されます

These circuits perform three fundamental logical operations,

これらの回路が３種の基本的な 論理演算を行います

conjunction, disjunction, and negation.

論理積、論理和、論理否定です

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

論理積は「ANDゲート」が 入力が２つとも高電圧であったときのみ

only if it receives two high-voltage inputs,

高電圧を出力することで実現し

and the other gates work by similar principles.

他のゲートも同様な原理で機能します

Circuits can be combined to perform complex operations,

回路を組み合わせることで 加算や減算といった

like addition and subtraction.

複雑な演算を行います

And computer programs consist of instructions

コンピュータープログラムは

for electronically performing these operations.

このような電子的に演算を行う 命令で構成されています

This kind of system needs a reliable and accurate method

この種のシステムには信頼性の高い 正確な方法で

for controlling electric current.

電流を管理する必要があります

Early electronic computers, like the ENIAC,

ENIACのような初期のコンピューターは

used a device called the vacuum tube.

真空管と呼ばれる機器を使っていました

Its early form, the diode,

初期のダイオードは

consisted of two electrodes in an evacuated glass container.

真空のガラス容器に封印された ２つの電極でできています

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

カソードに電圧をかけると発熱し 電子を放出します

If the anode is at a slightly higher positive potential,

アノードの電位のほうが少し高く 正である場合は

the electrons are attracted to it,

この電子がそこに引き寄せられ

completing the circuit.

回路を形成します

This unidirectional current flow could be controlled

この一方通行の電流の流れは

by varying the voltage to the cathode,

カソードにかける電圧を変えることで

which makes it release more or less electrons.

電子の放出量が増減し 電流を制御できます

The next stage was the triode,

発明の次の段階は三極管で

which uses a third electrode called the grid.

グリッドという第三の電極を使用します

This is a wire screen between the cathode and anode

これはカソードとアノード間にある ワイヤーでできた格子であり

through which electrons could pass.

電子が通り抜けることができます

Varying its voltage makes it either repel

電圧を変化させることで

or attract the electrons emitted by the cathode,

カソードから放出された電子を 引きつけたり跳ね返したりするため

thus, enabling fast current-switching.

電流を素早く切り替えることが可能です

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

この信号を増幅する能力により 三極管はラジオや

and long distance communication.

長距離通信に欠かせませんでした

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

とはいうものの 三極管の信頼性は低くかさばります

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

18,000個の三極管で構成された ENIAC はテニスコート程の大きさで

and weighed 30 tons.

30トンもありました

Tubes failed every other day,

また 三極管は１日おきに切れてしまい

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

しかも １時間で 15世帯の１日分の 電気を消費しました

The solution was the transistor.

これを解決したのがトランジスタです

Instead of electrodes, it uses a semiconductor,

電極の代わりに ケイ素のような半導体を使い

like silicon treated with different elements

異なる元素で処理を施して

to create an electron-emitting N-type,

電子を放出するN型や

and an electron absorbing P-type.

電子を受け取るP型が作られます

These are arranged in three alternating layers

これらが交互に３層に配置され

with a terminal at each.

それぞれに電極が付いています

The emitter, the base, and the collector.

エミッタ､ベース､コレクタです

In this typical NPN transistor,

この典型的な型のNPN型トランジスタでは

due to certain phenomena at the P-N interface,

PN境界面で起きるある種の現象により

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

エミッタとベースの間に P-N接合という特別な領域が形成されます

It only conducts electricity

ある閾値を超えた 電圧が掛けられたときのみ

when a voltage exceeding a certain threshold is applied.

電流が流れますが そうでなければ

Otherwise, it remains switched off.

スイッチはオフのままです

In this way, small variations in the input voltage

この様にして入力電圧のわずかな変動により

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

出力電流の高低を すばやく切り替えることができます

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

トランジスターの利点は その効率性とコンパクトさです

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

加熱が不要なので より耐久性があり少ない電力で済みます

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

ENIACの機能は 今や 何十億ものトランジスタを含む

containing billions of transistors.

爪ほどのマイクロチップ１個に 追い抜かれています

At trillions of calculations per second,

毎秒何兆もの計算を行う

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

今日のコンピューターは 驚異的かも知れませんが

but underneath it all,

実はその下で起きているのは

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

スイッチのオン・オフという 単純な作業なのです