How transistors work - Gokul J. Krishnan

Переводчик: Ivan Khozyainov Редактор: Полина Гурина

Modern computers are revolutionizing our lives,

Современные компьютеры значительно меняют нашу жизнь,

performing tasks unimaginable only decades ago.

делая то, что казалось невозможным всего десятилетия назад.

This was made possible by a long series of innovations,

Это стало результатом длинной череды инноваций,

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

но есть одно фундаментальное изобретение, на котором основаны почти все остальные:

the transistor.

транзистор.

So what is that,

Что же это?

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

И как это устройство позволяет компьютерам удивлять нас своими возможностями?

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

В своей основе все вычислительные машины, или компьютеры, делают именно то,

о чём говорит их название:

machines that perform mathematical operations.

они выполняют математические операции.

The earliest computers were manual counting devices,

Самые ранние компьютеры, такие как обычные счёты,

like the abacus,

оперировались вручную,

while later ones used mechanical parts.

более поздние были механизированы.

What made them computers was having a way to represent numbers

Их делает компьютерами то, что они имеют способ представления чисел,

and a system for manipulating them.

а также систему для их обработки.

Electronic computers work the same way,

Электронные компьютеры работают таким же образом,

but instead of physical arrangements,

но вместо физических механизмов

the numbers are represented by electric voltages.

числа представляются электрическим напряжением.

Most such computers use a type of math called Boolean logic

Большинство таких компьютеров использует двоичную логику — раздел математики,

that has only two possible values,

оперирующий только двумя значениями:

the logical conditions true and false,

логическими состояниями «истина» и «ложь»,

denoted by binary digits one and zero.

обозначаемыми цифрами один и ноль.

They are represented by high and low voltages.

Они представляются повышенным и пониженным напряжением.

Equations are implemented via logic gate circuits

Вычисления осуществляются при помощи цепи логических вентилей,

that produce an output of one or zero

на выходе дающих единицу или ноль

based on whether the inputs satisfy a certain logical statement.

в зависимости от того, удовлетворяют ли входные сигналы логическому утверждению.

These circuits perform three fundamental logical operations,

Эти цепи выполняют три основные логические операции:

conjunction, disjunction, and negation.

конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание.

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

Конъюнкция производится логическим вентилем «И»,

который выдаёт высокое напряжение, получив на оба входа высокое напряжение.

only if it receives two high-voltage inputs,

and the other gates work by similar principles.

Другие логические вентили работают похожим образом.

Circuits can be combined to perform complex operations,

Цепи можно комбинировать для выполнения более сложных операций,

like addition and subtraction.

таких как сложение и вычитание.

And computer programs consist of instructions

И компьютерные программы состоят из инструкций,

for electronically performing these operations.

чтобы производить эти операции при помощи электроники.

This kind of system needs a reliable and accurate method

Такого рода системы нуждаются в надёжном и точном способе

for controlling electric current.

управления электрическим током.

Early electronic computers, like the ENIAC,

Ранние электронные компьютеры, например, ENIAC,

used a device called the vacuum tube.

использовали электронные лампы.

Its early form, the diode,

Одной из первых разновидностей был диод.

consisted of two electrodes in an evacuated glass container.

Он состоял из двух электродов, катода и анода,

в вакуумной стеклянной колбе.

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

При подаче напряжения на катод он нагревается и высвобождает электроны.

If the anode is at a slightly higher positive potential,

Если электрический потенциал анода более положителен,

the electrons are attracted to it,

то электроны притягиваются к нему,

completing the circuit.

замыкая электрическую цепь.

This unidirectional current flow could be controlled

Этот однонаправленный ток может управляться

by varying the voltage to the cathode,

изменением напряжения на катоде,

which makes it release more or less electrons.

отчего высвобождается больше или меньше электронов.

The next stage was the triode,

Следующим этапом развития стал триод.

which uses a third electrode called the grid.

У него появился третий электрод — сетка.

This is a wire screen between the cathode and anode

Это экран из проводов между катодом и анодом,

through which electrons could pass.

через который могут проходить электроны.

Varying its voltage makes it either repel

При изменении напряжения сетка может либо отталкивать,

or attract the electrons emitted by the cathode,

либо притягивать электроны, испускаемые катодом,

thus, enabling fast current-switching.

и таким образом можно быстро переключать ток.

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

Эта способность усиливать сигнал сделала триоды важным элементом радио-

and long distance communication.

и междугородней связи.

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

Несмотря на эти успехи, электронные лампы были ненадёжными и громоздкими.

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

ENIAC с 18 000 триодов был размером с теннисный корт

and weighed 30 tons.

и весил 30 тонн.

Tubes failed every other day,

Лампы ломались каждый день

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

и потребляли за час столько же электричества,

сколько потребляли 15 домов за целый день.

The solution was the transistor.

Решением стал транзистор.

Instead of electrodes, it uses a semiconductor,

Вместо электродов он использует полупроводники,

like silicon treated with different elements

например, кремний, который смешивают с разными химическими элементами

to create an electron-emitting N-type,

для создания полупроводников n- и p-типа,

and an electron absorbing P-type.

испускающих и поглощающих электроны.

These are arranged in three alternating layers

Эти полупроводники размещаются в три чередующихся слоя

with a terminal at each.

с выходом на каждом уровне.

The emitter, the base, and the collector.

Эмиттер, база и коллектор.

In this typical NPN transistor,

В этом обычном n-p-n-транзисторе

due to certain phenomena at the P-N interface,

в результате определённого эффекта на границе между p и n

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

между эмиттером и базой возникает область, называемая p-n-переход.

It only conducts electricity

Она проводит электричество,

when a voltage exceeding a certain threshold is applied.

только когда подаваемое напряжение превышает определённый порог.

Otherwise, it remains switched off.

В противном случае она остаётся выключенной.

In this way, small variations in the input voltage

Таким образом, небольшое изменение напряжения на входе

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

может использоваться для быстрого переключения

между высоким и низким выходным напряжением.

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

Преимущество транзисторов — в их эффективности и компактности.

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

Из-за того, что их не нужно нагревать, они более долговечны

и потребляют меньше электричества.

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

Возможности ENIAC теперь может превзойти один микрочип размером с ноготь,

containing billions of transistors.

содержащий миллиарды транзисторов.

At trillions of calculations per second,

Выполняя триллионы вычислений в секунду,

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

современные компьютеры кажутся чудом,

but underneath it all,

но в основе

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

каждая операция всё так же проста, как щелчок выключателя.