Tranzistorul este o componentă electronică mică, făcută dintr-un material semiconductor, care funcționează ca un robinet pentru curentul electric: un semnal slab controlează un curent mult mai puternic. Pe această capacitate simplă se bazează aproape toată electronica modernă, de la radioul portabil la telefonul din buzunar. Dacă vrei să știi de ce calculatoarele au devenit mici și ieftine, răspunsul începe cu tranzistorul.
În paginile următoare vezi ce a existat înainte de el, cum funcționează un semiconductor, ce face un tranzistor într-un circuit, cum s-a trecut la circuitul integrat și de ce acest progres a schimbat atât de mult viața de zi cu zi.
Ce era înainte de tranzistor?
Înainte de tranzistor, electronica folosea tuburi cu vid, bulbi de sticlă în care un filament încălzit emitea electroni care erau controlați de grile metalice. Tuburile puteau amplifica semnale și comuta circuite, dar erau mari, consumau multă energie, se încălzeau și se ardeau.
Primele calculatoare electronice umpleau încăperi întregi tocmai din acest motiv: aveau mii de tuburi, iar întreținerea lor cerea timp și atenție. La fel, radiourile și televizoarele vechi aveau nevoie de câteva minute de încălzire. Amplificarea semnalelor era o problemă importantă și pentru comunicații, iar povestea ei se leagă de cea din articolul despre telefon și radio.
De ce se căuta o alternativă
- tuburile ocupau mult spațiu;
- generau căldură și cereau multă energie;
- aveau o durată de viață limitată;
- erau sensibile la șocuri mecanice.
Filamentul încălzit al tuburilor semăna cu cel al becului electric, iar uzura lui era aceeași problemă. Cercetătorii de la laboratoarele Bell din Statele Unite căutau un amplificator solid, fără părți încălzite sau vid, care să poată fi folosit în rețelele telefonice.
Cine a inventat tranzistorul?
Primul tranzistor funcțional a fost realizat în 1947 la Bell Labs de John Bardeen și Walter Brattain, în echipa condusă de William Shockley. Cei trei au primit împreună premiul Nobel pentru fizică în 1956.
Prototipul era un tranzistor cu contact punctiform, făcut din germaniu, un semiconductor. Shockley a imaginat apoi un model mai robust, cu joncțiuni, care s-a dovedit mai ușor de produs în serie. În anii următori, producția s-a mutat treptat pe siliciu, un material mai abundent și mai rezistent la temperatură.
Cum funcționează un semiconductor?
Un semiconductor este un material care conduce curentul mai bine decât un izolator, dar mai slab decât un metal, iar conductivitatea lui poate fi controlată. Siliciul pur conduce puțin, însă dacă i se adaugă în cantități foarte mici alte elemente, proprietățile se schimbă puternic. Procedeul se numește dopare.
Prin dopare se obțin două tipuri de material:
- tip n, cu electroni în plus, care transportă sarcină negativă;
- tip p, cu „goluri”, adică locuri lipsă pentru electroni, care se comportă ca niște sarcini pozitive.
Când le pui împreună, la limita dintre ele apare o joncțiune care lasă curentul să treacă într-un sens și îl oprește în celălalt. Cum se mișcă electronii în atomi și de ce unele materiale conduc mai bine decât altele afli din articolul despre atom și particule, iar bazele curentului și tensiunii sunt explicate în articolul despre electricitate.
Ce face un tranzistor într-un circuit?
Un tranzistor face, în principal, două lucruri: funcționează ca întrerupător controlat electric și ca amplificator de semnal. Ambele roluri decurg din același principiu: tensiunea sau curentul aplicat pe un terminal de comandă determină cât curent trece între celelalte două.
Rolul de comutator
Într-un circuit digital, tranzistorul este fie „deschis”, fie „închis”, adică lasă sau nu lasă curentul să treacă. Cele două stări corespund cifrelor 1 și 0 din calculatoare. Combinând tranzistoare, se construiesc porți logice care realizează operații simple: și, sau, negație.
Rolul de amplificator
Într-un radio sau într-un amplificator audio, un semnal foarte slab de la antenă sau microfon comandă un curent mult mai puternic, care are aceeași formă. Rezultatul este același semnal, dar suficient de puternic pentru a da o voce din difuzor.
| Aspect | Tub cu vid | Tranzistor |
|---|---|---|
| Dimensiune | Cât un deget sau mai mare | Se poate reduce la dimensiuni microscopice |
| Consum | Mare | Mult mai mic |
| Încălzire înainte de folosire | Da | Nu |
| Durată de viață | Limitată | Foarte lungă |
| Preț la scară mare | Ridicat | Foarte redus |
Cum a ajuns tranzistorul la circuitul integrat?
Circuitul integrat a apărut când inginerii au reușit să fabrice mai multe tranzistoare și conexiunile dintre ele pe aceeași plăcuță de siliciu. Ideea a fost dezvoltată independent la sfârșitul anilor cincizeci de Jack Kilby, la Texas Instruments, și de Robert Noyce, la Fairchild Semiconductor.
Înainte, circuitele se asamblau de mână, lipind componente separate. Odată cu circuitele integrate, fabricile au putut imprima mii, apoi milioane, apoi miliarde de tranzistoare printr-un proces numit fotolitografie, în care lumina transferă un model pe suprafața plăcuței, ca într-o fotografie extrem de fină.
Sfat: când auzi despre „procesoare de câțiva nanometri”, gândește-te la dimensiunea unor detalii din circuit. Un nanometru este a miliarda parte dintr-un metru, mult mai mic decât un fir de păr.
Cu cât tranzistoarele sunt mai mici, cu atât încap mai multe pe aceeași suprafață, iar calculatorul devine mai rapid și consumă mai puțin. Există însă limite fizice: la dimensiuni foarte mici apar efecte cuantice care fac controlul curentului mai dificil.
De ce contează tranzistorul pentru viața de zi cu zi?
Tranzistorul contează pentru că aproape orice aparat electronic se bazează pe el: telefonul, televizorul, mașina, aparatul de radiologie, cardul bancar, termostatul. Fără el, internetul, fotografia digitală și navigația prin satelit nu ar exista în forma pe care o cunoaștem.
Povestea tranzistorului este un exemplu bun pentru felul în care o descoperire de fizică a solidului devine tehnologie de masă. Cercetarea de bază a materialelor, brevetele și producția industrială au mers împreună. Alte etape din acest drum apar în lista invențiilor care au schimbat lumea, iar una dintre aplicațiile directe ale microelectronicii, rețeaua globală de calculatoare, este tratată în articolul despre internet.
Pe aceeași temă, citește și Bateria electrică: de la pila lui Volta la acumulator.
Pe aceeași temă, citește și Descoperiri întâmplătoare: rolul norocului în știință.
Pe aceeași temă, citește și Fotografia: cum a apărut aparatul foto și cum prinde lumina.
Pe aceeași temă, citește și Prototipul: cum se transformă o idee într-un produs.
Întrebări frecvente
Ce este un tranzistor, într-o frază?
Este o componentă semiconductoare care comută sau amplifică un curent electric folosind un semnal mic de comandă.
De ce se folosește siliciul?
Siliciul este foarte răspândit în scoarța Pământului, se dopează ușor și rezistă bine la temperaturi mai mari decât germaniul. Poate fi cultivat în cristale mari, foarte pure.
Câte tranzistoare are un telefon?
Un procesor modern de telefon conține miliarde de tranzistoare. Numărul exact diferă de la model la model și de la o generație la alta.
Care este diferența dintre tranzistor și circuit integrat?
Tranzistorul este o singură componentă, iar circuitul integrat grupează multe tranzistoare și alte elemente pe aceeași plăcuță. Procesorul este un circuit integrat complex.
Mai există tuburi cu vid astăzi?
Da, în nișe: unele amplificatoare audio de colecție și aparatură specială de mare putere. Pentru majoritatea aplicațiilor au fost înlocuite de tranzistoare.
