ترانزیستور : شصتمین سالگرد تولد و همچنان سر حال

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: شصت سال پیش از این، محققین موسسه ی Bell Labs مهمترین اختراع قرن بیستم را به جهانیان عرضه کردند؛ اولین ترانزیستور واقعی.
اینکه بخواهیم زمان شروع عصر الکترونیک را مشخص کنیم کاری دشوار است، اما شاید بتوان گفت ویلیام استورژئون با توسعه ی آهنربای الکتریکی در سال 1825، زمینی را بذرافشانی کرد که منجر به تلگراف ابتدائی جوزف هانری در 1830 گشت؛ اولین سیستم الکتریکی که برای ارتباط بین فواصل طولانی (یک مایل) مورد استفاده قرار گرفت. تنها 14 سال بعد، ساموئل مورس پیغامی را بوسیله ی تلگراف در طول یک خط ارتباطی 40 مایلی فرستاد که خود او این خط را بین واشنگتن و بالتیمور کشیده بود.
اگرچه اختراع تلفن در سال 1875 توسط الکساندر گراهام بل امروزه مورد ستایش جهانیان است، اما در ابتدا خیلی کم به عنوان یک دستگاه کاربردی مطرح شد تا اینکه توماس ادیسون میکروفن کربنی را دو سال بعد از آن عرضه نمود. صدای گوینده مجموعه ای از دانه های کربنی را تلفیق کرده، موجب تغییر مقاومت مدار شده و بنابراین سیگنالی به دریافت کننده فرستاده می شد.
تعدادی از مخترعین ایده ی ارسال بی سیم را در سر می پروراندند، که این امر با ثبت اختراع گوگلیئلمو مارکونی در سال 1896 و دیگر موارد بعدی تدوین گشت. همچون تلفن و تلگراف، رادیوهای ابتدائی از هیچ CPU، ترانزیستور و یا حتی لامپ خلاء استفاده نمی کردند. مارکونی بر اساس کارهای دیگران بویژه نیکولا تسلا، از یک ولتاژ بالا و قوس الکتریکی استفاده کرد تا بتواند امواج الکترومغناطیسی را درون یک سیم پیچ و یک آنتن القا نماید. این سیگنال ها، که با استانداردهای امروزی کاملا نویزدار بوده است، در تمام طیف الکترومغناطیسی شروع به تابش کردند... اما کار کردند. در واقع، سیستم مشهور تایتانیک بوسیله ی یک قوس الکتریکی 5 KW که توسط شرکت تلگراف بی سیم مارکونی ساخته شده بود، پخش می شد.
مدارات همگی الکتریکی بودند، نه الکترونیکی.
سیگنال های تلفن در طول فواصل به شدت تنزل پیدا می کردند درحالی که رادیو در حالت خام و ابتدائی باقی مانده بود و پهنای باند محدودی داشت. جهان شدیدا نیاز به دستگاهی داشت که بتواند جریان ناشی از الکترون تازه کشف شده را کنترل کند. تقریبا در همین زمان، آمبروس فلمینگ کشف کرد که جریان ناشناخته ی الکتریسیته در یک فضای خلاء، که ادیسون بطور اتفاقی با آن برخورد کرده بود، می تواند یک جریان متناوب را یکسو کند که مزیت خوشحال کننده ی این امر آشکارسازی امواج رادیویی می باشد. او اولین دیود لامپ خلاء ساده را اختراع کرد. اما موفقیت اقتصادی چندانی کسب نکرد چرا که قیمت بالائی داشت و نیز فیلامنت آن نیاز به جریان داشت.
در دهه اول قرن جدید، لی دی فورست یک رشته ی شبکه ای بین آند و کاتد وارد لامپ کرد. با این عنصر کنترلی جدید، یک مدار می تواند تقویت، نوسان و سوئیچ بکند. این ها عملیات اساسی هر بیت از الکترونیک می باشند. توسط این لامپ ها، مهندسان آموختند که می توانند رادیوهای با حساسیت فوق العاده بسازند، صداها را در طول ده ها هزار مایل کابل ارسال نمایند و بین صفر و یک ها در عرض چند میکروثانیه سوئیچ کنند. در طول چهار سال جنگ جهانی اول، وسترن الکتریک به تنهائی نیم میلیون لامپ برای ارتش امریکا تولید کرد. حدود سال 1918 بیش از یک میلیون در سال در امریکا ساخته می شد که بیش از پنجاه برابر ارقام قبل از جنگ بود.
الکترونیک متولد شد.
الکترونیک اینگونه تعریف می شود که "علمی که مرتبط است با توسعه و کاربرد دستگاه ها و سیستم های وابسته به جریان الکترون ها در یک لامپ خلاء، در یک پوشش گازی، و در نیمه هادی ها" و این بیان تقریبا همزبان با تولید لامپ خلاء بوجود آمد. اما این یک تعریف ضعیف و کوچک است. من فکر می کنم تفاوت مدارات الکتریکی و الکترونیکی در این است که الکترونیک از عناصر اکتیو استفاده می کند، قطعاتی که یکسوسازی، سوئیچ یا تقویت می کنند. اولیه ترین دستگاه های اکتیو احتمالا کریستال های موداری بودند، تکه ای از سیم فنری شکلی متصل به تکه ی بزرگ نپخته ای از سرب، که به عنوان یک دیود ابتدائی کار می کند. من چیز زیادی درباره ی منشا آن ها پیدا نکردم، اما به نظر می رسد این کریستال ها برای اولین بار و به مدت کوتاهی قبل از اینکه فلمینگ تحقیق پیشگامانه ی خود را در مورد لامپ خلاء انجام دهد، ظاهر شده اند. این موضوع تا حدودی کنایه آمیز است که اولین عنصر اکتیو، که قبل از لامپ خلاء کشف شده بود، یک نیمه هادی بوده است، اما تقریبا نیم قرن دیگر لازم بود تا نیمه هادی ها "کشف" شوند.
در ابتدا رادیوها بودند که تنها از تعدادی لامپ استفاده کردند اما به زودی واحدهای با تکنولوژی بالا از تعداد بالاتری بهره بردند.
افزایش توانائی ها و قابلیت ها، همانطور که امروزه انجام می شود، منجر به بالاتر رفتن توقعات در جهت ویژگی ها، سرعت و کارائی بیشتر شد. اختراع رادار در جنگ جهانی دوم مطالبات سنگین تری را برای الکترونیک اکتیو ایجاد کرد. برخی از دستگاه ها صدها لامپ خلاء استفاده می کردند. شاید اوج موفقیت تکنولوژی لامپ خلاء ENIAC در سال 1946 بود، که حدود 18000 قطعه را به کار گرفت. این ماشین هر دو روز یکبار از کار می افتاد. به وضوح ظهور تکنولوژی دیجیتال لامپ های خلاء را به مرزهای پایانی خود نزدیک ساخت. انواع جدیدی از عناصر فعال مورد نیاز بود، چیزی که اتلاف گرمای کمتری داشته، توان کمتری استفاده کند و قابل اطمینان باشد.
به طور معجزه آسایی، سال بعد والتر براتین و جان باردین ( که به همراه ویلیام شاکلی جایزه ی نوبل 1956 را به خاطر این کار و کارهای مرتبط دیگر بر روی نیمه هادی ها برنده شدند) ترنازیستور را اختراع کردند. اگرچه بر روی این موضوع ادعاهایی وجود دارد اما این اولین نوع "کاربردی" چنین نیمه هادی بود. محققین Bell Labs در واقع یک ترانزیستور تماس نقطه ای ساخته بودند، دستگاهی که ساخت آن بسیار دشوار بوده و دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرد و هیچ گاه کاربرد آن گسترش نیافت.

"اولین ترانزیستوری اسمبل شده ای که در Bell Labs در سال 1947اختراع شد." عکس و عبارت از Porticus.org, www. porticus.org/bell/belllabs_transistor.html. (این لینک را دنبال کنید تا اسناد تاریخی و تصاویر بیشتری در مورد این موسسه و ترانزیستور بدانید.)

حدود سال 1950 (مراجع در این باره با هم اختلاف دارند) ، رایتئون اولین دستگاه تجاری قابل دسترس را با نام CK703 تولید کرد. قیمت هر کدام از آن ها 18 دلار بود (با در نظر گرفتن تورم به قیمت امروز 147 دلار می شود) که قابل رقابت با لامپ های خلاء نبودند که قیمت آن ها بطور نوعی حدود 0.75 دلار آن زمان بود. اگرچه ترانزیستورهای تماس نقطه ای تا حد امیدوار کننده ای نزدیک به یک عنصر فعال ایده آل بودند اما چیزی بهتر از آن نیاز بود.
شاکلی به کار خود بر روی نیمه هادی ها ادامه داد و سرانجام در 1948 ترانزیستور پیوندی مدرن خود را ثبت اختراع نمود. سه سال بعد، Bell Labs ترانزیستور M1752 (عکس ها در کد: http://semiconductormuseum.com/PhotoGallery/ PhotoGallery_M1752.htm) را عرضه کرد اگرچه تنها در مقیاس آزمایشگاهی ساخته شد.
ترانزیستور مدرن متولد شد. اما نتوانست به سرعت انقلابی در صنعت الکترونیک که همچنان به لامپ های خلاء عشق می ورزید، ایجاد کند. این موضوع همچنان تا 1956 ادامه داشت تا ETL Mark 3 ساخت ژاپن، احتمالا اولین رایانه ی ترانزیستوری، پا به عرصه ی وجود گذاشت اما در آن تنها از 130 ترانزیستور تماس نقطه ای استفاده شده بود و یک واحد عملی و قابل فروش به حساب نمی آمد. در همین سال IBM شروع به فروش ماشین های 608 خود کرد که از 3000 ترانزیستور ژرمانیم استفاده شده بود. این اولین رایانه ی ترانزیستوری تجاری بود. 608 حدود 90 درصد توان کمتری نسبت به ماشین های لامپ خلاء قابل مقایسه با خود مصرف می کرد. دارای کلاک 100 کیلو هرتز، 9 دستور و 11 میلی ثانیه زمان متوسط ضرب دو عدد9 رقمی BCD بود، 40 کلمه حافظه ی مرکزی و 2400 پوند وزن داشت.
درخواست بالای صنعت تلفن برای تقویت کننده ها، موجب توسعه ی لامپ های خلاء و گسیختگی تکنولوژی نیمه هادی گشت. در سال 1952 Bell Telephone تجهیزات اولین دفتر مرکزی ترانزیستوری را در نیوجرسی امریکا و دوباره با استفاده از ترانزیستورهای تماس نقطه ای، نصب کرد.
مهندسین قدیمی، احتمالا ترانزیستور CK-722 رایتئون را به یاد دارند که یکی از اولین ترانزیستورهای پیوندی تجاری بود. این ترانزیستور در سال 1953 با قیمتی حدود 7 دلار در دسترس بود که در آن زمان پول بسیار زیادی بود. اواخر 1955 همین قطعه 0.99 دلار قیمت داشت. البته هنوز قانون مور وجود نداشت اما سقوط شدید قیمت های قطعات الکترونیکی آغاز گشته بود که تماما با استفاده از تکنولوژی جدید نیمه هادی ها میسر شده بود.
Regency Electronics اولین رادیوی ترانزیستوری تجاری را بطور واقعی در سال 1954 ساخت که به همین مناسبت TR-1 نامیده می شد. (برای دیدن ویدئوهائی از این رادیوی چهار ترانزیستوری سری به اینجا بزنید کد: http://people.msoe.edu/~reyer/regency/ index5.html .) شرکت TI به منظور بازاریابی برای ترانزیستورهای جدید خود، با برخی از سازندگان داخلی رادیو توافقاتی کرده بود اما همه آن جز Regency لغو شد. یکی از نشریات معاصر با TI مطالبی در مورد TR-1 منتشر می کرد که قطعات پیوندی n-p-n را تریود ژرمانیمی می نامید. تریود یک لامپ خلاء سه عنصری بود و البته هست.
اوایل دهه ی 60، مصرف کنندگان شیفته و شیدای رادیوهای بسیار کوچک شده بودند (نیمی از 10 میلیون واحدی که ترانزیستوری شده بودند در 1959 به فروش رفت). بازاریابان که مشتاق بودند محصولات خود را منحصر به فرد بنمایانند، شروع به مانور دادن بر روی تعداد ترانزیستورهای رادیوی خود برای فروش هر چه بیشتر آن ها کردند. اگرچه حداقل یک فروشنده موفق به ساخت رادیویی با تنها دو ترانزیستور گشت (شماتیک آن: کد: http://www.transistor.org/FAQ/two -transistor.html) ، و به ندرت واقعا بیش از 8 ترانزیستور استفاده می شد، اما اغلب حدود 16 ترانزیستور بر روی برد لحیم می شد و البته بیشتر آن ها بدون اتصال باقی می ماند. شاید چیزی شبیه به جنگ GB امروز ما باشد که همینطور حجم درایوها افزایش می یابد بی آنکه هیچ وقت پر شوند.

امروزه، ترانزیستورهای مجزا بسیار بی مورد به نظر می رسند اگرچه هنوز هم بطور گسترده در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. قیمت ها برای قطعات معین از تقریبا هیچ تا ده ها دلار یا بیشتر متفاوت است. یک IC با سایز برابر CK-722 شامل میلیون ها ترانزیستور می باشد که قیمت هر کدام از آن ها تنها چند میکروسنت در می آید.
بطور کنایه آمیزی، برخی از مشکلاتی که لامپ های خلاء را آزار داد و آن ها را به مرگ خود نزدیک ساخت هم اکنون متوجه محصولات ترانزیستوری می باشد. در 1946، تمام قابلیت های رایانه در جهان تنها چند صد کیلو وات توان مصرف می کرد. امروزه یک سرور به تنهائی تعداد زیادی توان مگاواتی مصرف می کند. بر اساس آمار داده شده در کد: http://blogs.business2.com/greenwombat/2007/02/photo_originall.html درسال 2005، سرورهای سراسر جهان نیازی برابر با 14 نیروگاه یک گیگاواتی داشتند. هم اکنون مرکز داده ی گوگل برج های خنک کننده ای به بلندی 4 طبقه دارد که بسیار مشهور می باشند.
ترانزیستورها در انواع مختلفی به بازار می آیند، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) مهمترین آن ها می باشند. این ترانزیستو ها در سال 1960 ( بر پایه ی کارهای شاکلی) توسط جان آتالا اختراع شدند که در ابتدا بسیار بدیع و ابتکاری بودند. RCA یک سری از چیپ های منطقی را که در آن ها از FET ها استفاده شده بود معرفی نمود، اما به علت سرعت کم آن ها تنها در موارد ویژه و کاربردهای با توان کم مورد استفاده قرار می گرفت. همه دانستند که این تکنولوژی هیچ گاه جایگزین ترانزیستورهای پیوندی که بسیار مفیدتر بودند، نخواهد شد.
البته هم اکنون، FET ها پایه و اساس انقلاب دیجیتالی می باشند. مشکلات سرعت حل شد، و مهمترین مزیت آن ها که نیاز بسیار پائین آن ها به توان مصرفی می باشد، موجب گشت تا میلیون ها عدد از آن ها تنها بر روی یک IC مجزا قرار داده شوند.
یک رادیوی سه لامپی چندان گرمایی تولید نمی کرد، اما یک گروه 18000 تایی درون یک رایانه و سیستم خنک سازی آن تبدیل به یک مشکل جدی شد. همین مورد در مورد تمام انواع ترانزیستورها نیز صادق است: یک IC با صدها میلیون FET توان پائین در اثر گرما خود بخود نابود خوهد شد. بنابراین باز هم بصورت طعنه آمیزی باید گفت که تولیدکنندگان در این موارد دست به دامان تکنولوژی های مختلفی همچون چند هسته ای شده اند تا نسبت MIP بر میلی وات بهتری بدست آورند.
همان زمان که مورس در حال تکمیل تلگراف خود، به عنوان اولین سیستم الکتریکی واقعی بود، رادلف کلاسیوس ایده ی اساسی قانون دوم ترمودینامک را مدون می کرد، که همراه همیشگی تمام تاریخ الکترونیک می باشد. چندهسته ای بودن شاید راه حلی برای نسبت MIP/mW باشد و شاید هم نباشد، اما تعداد بسیار زیادی CPU توان پائین را بر روی یک هسته مجزا قرار داده و قانون کلاسیوس هم هنوز آن را پوشش می دهد. تصور می کنم بسیار پیش از رسیدن صدمین تولد ترانزیستور، تکنولوژی های با آنتروپی پائین اختراع خواهند شد. و این تکنولوژی ها نیز گرفتار مشکلات در ظاهر تسلیم نشدنی گرمائی خواهند شد.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 385]