РЕВОЛЮЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ:

от механических машин к суперкомпьютерам будущего

Изобретение транзистора в 1947 году изменило ход истории.

Если бы не транзисторы, чехлы под наши планшеты и ноутбуки были бы грузовиками, а сами девайсы весили бы по несколько тонн. А уж о законе Мура про удвоение скорости микропроцессоров каждые два года приходилось бы только мечтать.

В общем, без транзисторов мы бы до сих пор наслаждались исключительно тёплым ламповым звуком и чертыхались бы из-за горячих и ненадёжных ламповых компьютеров.

Всё просто:
микропроцессор — да и любая микросхема — это набор огромного количества крошечных транзисторов без шляпок и ножек.

Эй, постойте, но транзистор — он же такой, со шляпкой и тремя-четырьмя ножками,
а микропроцессор быстрый, мощный и компактный —
как они вообще связаны?!

Так что транзисторы сегодня можно встретить буквально везде — в наушниках, зарядке от телефона, в самом телефоне, датчике протечки воды, холодильнике, умном чайнике, читалке и любых других девайсах хотя бы с минимальными «мозгами».

В этом спецпроекте мы расскажем, какой была радиоаппаратура до изобретения транзисторов, как и кем был изобретён транзистор, как устроены и как работают транзисторы.

Глава 1.
Как вычисляет компьютер

Для начала разберёмся, как компьютер проводит вычисления, — это поможет лучше понять, для чего были нужны транзисторы и их предшественники и как они использовались в производстве ЭВМ.

А как же вычитание, деление и умножение? Тут всё просто: вычитание представляется как прибавление отрицательного числа, умножение — как серия прибавлений числа к самому себе, а деление — как последовательное вычитание делителя из делимого (если вы тоже своего рода программист, то наверняка теперь понимаете, откуда берётся целочисленное деление).

Чтобы посмотреть схему логической операции, наведите курсор на её заголовок.

Вообще, любая картинка, музыка или нейросеть фактически держится только на операциях сложения. То есть достаточно научить компьютер складывать числа, чтобы он мог сделать всё что угодно :)

Раз у нас есть база — сложение, то давайте посмотрим, как оно работает. Тут используются логические операции AND (логическое И), XOR (исключающее ИЛИ) и OR (логическое ИЛИ), а также куча других вариантов. Некоторые из них мы разберём подробнее.

Чтобы посмотреть схему логической операции, нажмите на её заголовок.

XOR капризничает и выдаёт ноль не только когда на входе два ноля, но и когда там две единички. На то он и исключающее ИЛИ. XOR как бы ставит нас перед жёстким выбором — либо единичка там, либо единичка сям. В противном случае — фигушки.

Исключающее ИЛИ (XOR)

Если на вход элемента, который отвечает за логическое ИЛИ, подать два ноля, то результатом будет тоже ноль (или false). Во всех остальных случаях — единичка (или true). Запомнить это тоже просто: чтобы получить единичку, на входе должна быть хотя бы одна единичка.

Логическое ИЛИ (OR)

Логическое И (AND)

Если на вход элемента, который отвечает за логическое И, подать две единички, то результатом будет единичка (или true). Во всех остальных случаях результатом будет ноль (или false).

Итак, у нас есть двоичная система счисления, где 1 + 1 = 10. Теперь следите за руками. У нас есть простые единички, а есть разряды — то есть 2 в какой-либо степени. Чтобы сложить обычные единички, нам нужно исключающее ИЛИ (XOR) — этот оператор из двух нолей сделает ноль, из одной единички и ноля — единичку. Именно это нам и нужно — пропустить через него исключительно эти варианты. 1 + 1 в XOR тоже даст 0 — но в этом случае тот самый ноль, который обозначает дополнительный разряд числа.

А теперь фокус-покус — данные мы подаём одновременно на элемент XOR и элемент AND. XOR сложит 1 и 1 и выдаст 0, а AND, получив на вход те же 1 и 1, выдаст 1 — и эта единичка встанет слева. То, что мы получили, называется «полусумматор». Вот как выглядит его схема.

Как же складывать числа

Но полусумматор умеет складывать лишь маленькие числа. Как же нам теперь сложить, например, 10 и 11 (2 и 3 в десятичной системе счисления)?

Поясним, почему мы использовали OR. Дело в том, что оба последних элемента AND отвечают за третий разряд чисел. А значит, нам надо добавить третью единичку слева в трёх случаях: если оба AND выдают единички и если один из них выдаёт единичку, а другой — ноль (таких комбинаций может быть две). XOR, как мы помним, не сможет выдать единичку, если на вход ему поступят две единички.

Тут нам не обойтись без сумматора и дополнительного элемента — OR. Объяснять текстом подробно уже не будем — тут всё аналогично первой схеме, только побольше элементов.

Теперь вы знаете, как работает компьютер, и сможете лучше понять историю изобретения и применения транзисторов.

Глава 2.
Механические вычислители, диоды и радиолампы

Первые «калькуляторы» появились задолго до транзисторов, компьютеров и вообще открытия электричества. Вначале они были исключительно механическими, потом к ним добавились паровые и электродвигатели (но сами вычисления так и продолжали проводиться механически — с помощью каких-нибудь специальных пластин или шестерёнок.

У всех этих решений было два серьёзных недостатка: они были большими, а скорость вычислений — очень низкой. Даже в появившихся позднее реле для переключения состояния один проводник должен был физически коснуться другого. Что уж говорить о различных пластинах, штырьках и прочих физических элементах. Представьте: чтобы передать значение, вам надо механически переключить какой-то набор контактов. Дело небыстрое, а миниатюризации механические части почти не поддаются. В масштабах современных микропроцессоров даже крошечная блоха из «Левши» покажется Годзиллой или, скорее, «Звездой смерти».

Вот так мог бы выглядеть супердевайс своего времени — разностная машина Чарльза Бэббиджа.

Её воссоздали современные учёные по оригинальным чертежам. Причём детали изготавливали с той же точностью, на которую были способны ремесленники того времени. В итоге машина заработала — пусть и с несколькими конструктивными изменениями (они были непринципиальными, и сам Бэббидж легко бы их исправил в процессе отладки).

Диоды

Первыми предшественниками транзисторов стали диоды. Первые диоды независимо друг от друга запатентовали Джон Флеминг (в 1904 году) и Гринлиф Пиккард (в 1906 году). Причём их диоды были разными.

Флеминг баловался с термоэлектронной эмиссией — это когда некое твёрдое тело испускает электроны в вакуум или почти вакуум. Соответственно, он запатентовал диод с термоэлектронной эмиссией. А Пиккард сразу запатентовал кремниевый диод.

А теперь посмотрим, как устроен диод, — это поможет быстрее понять строение транзистора. Так что запоминайте :)

Итак, у нас есть полупроводник — тот же кремний. Одну его половину мы искусственно насыщаем «дырками», то есть положительным зарядом (p — positive, анод), а другую — электронами, то есть отрицательным зарядом (n — negative, катод). Посередине у нас образуется так называемая зона p-n-перехода.

А теперь очередной фокус. Подключим к диоду источник питания — на катод подадим минус, а на анод — плюс. Что у нас получится?

Минусовой заряд будет как бы выталкивать электроны из катода в сторону анода, а плюсовой заряд с анода как бы притягивать эти электроны. В итоге по диоду беспрепятственно пойдёт ток.

Если бы наши электроны были шарами, дырки — отверстиями под шары, а провода — трубками, то такой же эффект возник бы, если бы мы стали сильно дуть в трубку со стороны катода. Шарики бы покатились к дыркам.

А теперь подключим элемент питания наоборот: на катод подадим плюс, а на анод — минус.

Через диод не пойдёт ток! И вот почему. Теперь электроны с катода будут притягиваться к плюсовому полюсу нашей батарейки, а дырки анода — к минусовому. В итоге зона p-n-перехода увеличится и не будет пропускать ток. Такая вот физика.

Фишка диодов в том, что они могут выпрямлять переменное напряжение. Дело в том, что переменное напряжение — это когда в розетке постоянно меняется полярность: в один миг минус справа, а плюс слева, в другой — наоборот. Диод же пропускает ток всегда только в одном направлении, а значит, половину попыток розетки отфильтрует. В итоге у нас получится постоянный ток.

P. S. Конечно, мы описали работу современного диода — во время его изобретения ещё ничего не было известно о p-n-переходе и вместо этого перехода просто использовался вакуум между анодом и катодом.

Радиолампы

Первые радиолампы появились практически в то же время, что и диоды. Нас будут интересовать те из них, в конструкцию которых добавили сетку. Сейчас поясним, о чём тут речь.

Итак, сама по себе лампа во многом похожа на диод (а первые диоды фактически и были лампами) — у неё тоже есть катод и анод. Но ещё у некоторых ламп появились сетки — специальные решётки или спиральки, которые помогают управлять током в лампах.

Рассмотрим, как устроена электронная лампа с сеткой и для чего эта сетка нужна (потому что без сетки лампа — диод диодом).

Фактически сетка создаёт преграду для тока внутри лампы. Мы помним, что в аноде у нас — «положительно заряженные» дырки, а на катоде — переизбыток электронов. И если на сетку подать отрицательное напряжение, то анод будет дружить именно с ней, а не с катодом — электроны катода анод интересовать не будут.

Конечно, какая-то часть электронов с катода будет пробиваться через сетку, однако даже эта небольшая часть может быть сведена практически к нулю, если увеличить отрицательное напряжение на сетке.

Когда на сетке нулевое напряжение, между ней и катодом может возникнуть «химия», а электроны будут ускоряться и бежать от катода к сетке. Но в этом случае та самая «химия» между ними будет чуть меньше, чем просто между анодом и катодом.

Если же на сетку подать плюс, то всё становится шикарно: поле между катодом и сеткой превращается в настоящий автобан для электронов и в итоге ток на аноде увеличивается.

А теперь соединим лампы и логические элементы, которые мы рассматривали в самом начале статьи. Для примера возьмём вентиль XOR.

Для этого нам надо будет познакомиться с ещё одним логическим вентилем — NAND (НЕ-И). Сразу посмотрим, какие значения он выдаёт в разных случаях:

А теперь посмотрим, как этот NAND реализовать на электронных лампах.

NOR (НЕ-ИЛИ, то есть ИЛИ наоборот). Когда на одной из сеток ламп-триодов появляется сигнал, через лампу протекает ток. Соответственно, на выходе лампы напряжение, благодаря резистору, падает и получается 0.

Когда ток через обе сетки не течёт, то на выходе высокое напряжение, так как входное напряжение нагрузки (за лампами) высокое. В итоге выходное напряжение на лампах высокое и получается 1.

Итак, он делает то же самое, что AND, только каждый раз инвертирует результат.

NAND (И-НЕ, то есть И наоборот). Здесь уже используется пентод, то есть лампа с пятью электродами: анод, катод и три сетки. Ток протекает через лампу только тогда, когда на всех сетках высокий сигнал.

Как мы видим, на средней сетке напряжение есть всегда (V3). Если на две другие сетки приходит 1 (то есть высокий сигнал), срабатывает схема И. На выходе, как и в предыдущем случае, при протекании тока через лампу выходной сигнал низкий (то есть 0), а значит, происходит инверсия сигнала (НЕ).

Фактически сетка создаёт преграду для тока внутри лампы. Мы помним, что в аноде у нас — «положительно заряженные» дырки, а на катоде — переизбыток электронов. И если на сетку подать отрицательное напряжение, то анод будет дружить именно с ней, а не с катодом — электроны катода анод интересовать не будут.

Итак, мы знаем, как сделать элементы NAND. Теперь соберём из них вентиль XOR — остальные вентили делаются по аналогии, главное — понимать сам принцип.

Давайте проследим, как это работает. Допустим, на вход a у нас подаётся единичка, а на вход b — ноль. Что мы получим?

Теперь рассмотрим другой случай, когда на входы a и b подаются две единички.

Теперь вы примерно представляете, как работали компьютеры на радиолампах. Конечно, из этих вентилей строятся такие сложные комбинации, что про них можно написать несколько книг.

Теперь вы примерно представляете, как работали компьютеры на радиолампах. Конечно, из этих вентилей строятся такие сложные комбинации, что про них можно написать несколько книг :)

Сейчас радиолампы используют любители качественного аудио, а также иногда разработчики военных технологий. Они устойчивы к помехам и могут управлять очень большими токами — например, работать в качестве переключателей или выпрямителей с напряжением до миллионов вольт.

Но у ламп есть существенный недостаток — они большие, сделать их миниатюрными никак не получится. И конечно же, учёные ринулись изобретать «твердотельные лампы», которые могли бы сделать компьютеры более компактными и лёгкими — а то ноутбуки весом в несколько тонн и размером с комнату таскать домой и на работу было бы не очень удобно.

Самые известные ЭВМ дотранзисторной эпохи

Глава 3.
Транзисторы

В погоне за транзисторами

Итак, учёным понравились возможности электронных ламп, но им было нужно что-то более компактное и удобное в производстве. С другой стороны, в 1906 году уже был запатентован кристаллический детектор — то есть, грубо говоря, твердотельный диод.

Естественно, учёные и инженеры видели прямую аналогию между кристаллическим детектором и вакуумным диодом. Всё это говорило о том, что в твердотельный диод надо всего лишь как-то добавить управляющий контакт — аналог сетки в вакуумных лампах.

Однако дело шло небыстро. Лишь в 1925 году немецкий физик Юлий Лилиенфельд подал заявку на твердотельный усилитель. Да и то сумел описать только его принцип — даже макет собрать не получилось, потому что фундаментальная наука того времени не могла нормально описать процессы, происходящие в таком устройстве.

В 1935 году немец Оскар Хайль уже запатентовал идею полевого транзистора — однако сделать его тоже не сумел. Спустя три года ещё двое немцев всё-таки собрали твердотельный усилитель, правда, работал он очень медленно и только при очень высоких температурах, так что какого-то практического применения не получил.

Итак, учёные подступились максимально близко к транзистору, но пока не могли его создать — и тут грянула война. А война — это всегда увеличение бюджетов на научные исследования в перспективных для военных областях. Благодаря этим бюджетам учёные всего мира сумели довольно неплохо изучить полупроводники и разработать методы их серийного производства. Это стало фундаментом будущей транзисторной революции.

p-n-переход

Американский физик Уильям Шокли работал в Bell Labs — он, как и все, пытался создать какую-нибудь твердотельную штуку, которая бы заменила реле в телефонных станциях. Изучив работы предшественников, он решил, что внедрить в твердотельный диод третий проводник, чтобы управлять током, не получится. И в итоге в 1939 году тоже сформулировал принцип работы полевого транзистора.

Раз внедрить проводник непосредственно в диод не выходит, значит, можно добавить в конструкцию некий внешний проводник, который будет влиять на работу диода с помощью слабого электромагнитного поля (тоже внешнего). Если сравнивать с принципом действия лампы, то это как если бы сетку вынесли за пределы самой лампы и она влияла бы на все процессы, находясь снаружи. Конечно, сравнение это очень грубое и примерное.

Вот так мог выглядеть полевой
транзистор, если бы его
собрал Лилиенфельд.

Эксперименты Шокли не удались, а потом его перебросили на другие военные задачи — и дело заглохло. Однако параллельно с ним радиолюбитель и электрохимик Рассел Ол изучал кремниевые детекторы (те самые, которые как будто твердотельные диоды). Они работали нестабильно, и Ол хотел это исправить. Он выдвинул гипотезу: если кремний очистить, всё будет отлично. Поэтому он сосредоточился на очистке и методах плавки кремния.

И вдруг Олу с командой попался странный детектор — он реагировал на свет, температуру и влажность. Он пришёл к своему коллеге Уолтеру Браттейну, и тот выдвинул свою гипотезу:

В итоге его детекторы показывали стабильную работу. Однако и тут возникла проблема — невозможно было заранее определить, какой вывод будет анодом, а какой катодом, всё это решалось только опытным путём — то есть проверкой контактов после изготовления детекторов.

видимо, между анодом и катодом есть какой-то дополнительный невидимый барьер, который и выпрямляет ток.

Ол ничтоже сумняшеся стал травить этот образец азотной кислотой, один за другим снимая микрослои, — и обнаружил, что полярность зависит не от чистоты кремния (как он думал), а, наоборот, от наличия конкретных примесей.

Тут в дело вмешался директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли и приказал засекретить открытие p-n-перехода (то есть той самой области, в которой соприкасаются кремний p-типа и n-типа). Причём секретность была такой высокой, что даже его бывший подчинённый Шокли не знал об открытии.

Первый биполярный транзистор

Летом 1945 года Келли снова создал группу для работы над будущим транзистором. Возглавил её уже знакомый нам Уильям Шокли. Среди его подчинённых были Джон Бардин и Уолтер Браттейн. Группа всё дальше и дальше уходила от концепции полевого транзистора — и в ноябре 1947 года поняла, что можно создать управляющий электрод.

В этот момент работы резко ускорились: за месяц с небольшим команда испытала пять типов конструкции «твердотельного триода», а уже 16 и 23 декабря исследователи выдали две удачные конструкции: точечного транзистора и усилителя радиочастот. Публике транзистор показали только через полгода.

А вот так выглядел первый транзистор (оригинал не сохранился, это созданная позднее копия)

Хотя изначально Шокли пытался сделать полевой транзистор, это ему не удалось — и получился транзистор биполярный. Вот так был устроен первый транзистор.

В том же 1948 году, буквально за несколько дней до презентации команды Шокли, двое немецких учёных — Велкер и Матаре — тоже сделали стабильно работающий точечный транзистор, который они называли «дуодиод». Кстати, Велкер и Матаре работали во Франции — британская и французская разведки ещё в годы войны узнали об их экспериментах и после победы над гитлеровской Германией разыскали исследователей и предоставили всё необходимое для продолжения экспериментов.

Конечно же, такое открытие сразу захотели выпустить в серию — однако долгое время транзисторы были нестабильными, а массовое производство скорее было колдунством сродни поисковой выдаче какого-нибудь «Яндекса». В итоге стоили транзисторы дорого, работали в очень ограниченных условиях. Такие радиодетали Пентагон не интересовали, и производство медленно задыхалось без крупных заказов и вливаний.

Тут есть примечательная деталь — создатели первого транзистора даже толком не понимали, как он работает. Они опубликовали научную статью, в которой описали принцип его действия, однако выводы их были неверными. Лишь спустя пару лет руководитель команды исследователей Уильям Шокли подробно и научно описал теорию p-n-перехода.

Первый биполярный транзистор

Теперь рассмотрим, как же на самом деле работает транзистор. Во-первых, у транзисторов есть три контакта: база, коллектор и эмиттер. База — это тонкий полупроводник. Во-вторых, транзисторы бывают двух типов: pnp и npn — в зависимости от того, какой заряд у коллектора с эмиттером и базы (база — посередине).

На коллектор подаётся большой ток, а от базы к эмиттеру протекает слабый ток.

База — это, грубо говоря, аналог сетки в радиолампах. Она помогает управлять током, который идёт между коллектором и эмиттером.

В транзисторе есть два перехода: эмиттер — база и коллектор — база. И если мы немного увеличим ток между базой и эмиттером (как бы немного повернём рукоятку крана с водой), то сразу широко откроем канал между эмиттером и коллектором — и ток между ними увеличится очень значительно.

То есть небольшие колебания тока на переходе эмиттер — база позволяют серьёзно менять ток между коллектором и эмиттером. Глубоко в физику этого явления погружаться не будем — нам важен сам принцип.

Как с помощью транзисторов собирать логические вентили

Мы уже собирали вентиль NAND на электронных лампах и увидели, что с его помощью можно собрать любой другой вентиль, а значит — реализовать любую операцию.

Теперь посмотрим, как тот же самый NAND собрать на транзисторах. Сама схема будет выглядеть вот так.

В схеме два n-p-n-транзистора. Причём VT1 — многоэмиттерный. Когда на обоих эмиттерах высокий сигнал — 1, управляющий ток в цепи база — эмиттер VT1 не протекает, следовательно, отсутствует и ток в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT1 закрыт).

На базе VT2 сигнал высокий. По цепи база — эмиттер VT2 протекает управляющий ток, который, соответственно, управляет током в цепи коллектор — эмиттер, и он тоже становится высоким (то есть транзистор VT2 открыт). Соответственно, на резисторе R2 происходит большое падение напряжения и на выходе VT2 — низкое напряжение, то есть 0.

Когда хотя бы на одном эмиттере низкий сигнал — 0, протекает высокий управляющий ток в цепи база — эмиттер VT1, следовательно, течёт и ток в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT1 открыт). На базе VT2 сигнал низкий. По цепи база — эмиттер VT2 не протекает управляющий ток, а значит, нет тока и в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT2 закрыт). В результате на резисторе R2 падение напряжения небольшое и на выходе VT2 — высокое напряжение, то есть 1.

Вот так устроена логика на транзисторах. Конечно, это упрощённое представление — на деле есть куча разных схем подключения и могут использоваться разные дополнительные радиодетали.

Полевые vs биполярные транзисторы

Мы так много говорили про биполярные транзисторы, что забыли про полевые — а между тем это очень популярный тип деталей. Благодаря тому, что они работают с электромагнитным полем, такие транзисторы потребляют гораздо меньше энергии и широко используются во всех схемах и задачах, где нужна энергоэффективность. Наручные электронные часы, пульт от телевизора, датчики — всё это часто собирается на «полевиках».

Глава 4.
Что было дальше

Итак, у нас уже есть готовые изобретённые транзисторы. Что с ними делать дальше? Правильно, уменьшать и уменьшать. Так сначала появились микросхемы (что-то вроде микродеталей, собранных на одной крошечной плате), а потом и современные микропроцессоры, на которых и «деталей» толком нет — только что-то вроде радужных нанодорожек. Звучит просто, но на деле это тоже был долгий процесс, куча успешных и ещё больше провальных экспериментов, проверка гипотез и победа человеческого разума над размерами :)

Всё это выходит за рамки нашего проекта — но это было так интересно, что мы записали четыре выпуска подкаста о том, как устроены механические «ЭВМ», как изобретались и по каким принципам работали реле, лампы и микросхемы, а также что происходит под капотом современного компьютера и микропроцессора. Вот они — подписывайтесь, скачивайте, слушайте на удобной для вас платформе :)

Подкаст о современном компьютере и о том, как он работает

Скоро

НАД ПРОЕКТОМ РАБОТАЛИ:

Автор: Тимур Тукаев

В проекте использованы фотографии:

Getty Images (Peter Bischoff, H. Armstrong Roberts, Louisa GIouliamak / AFP, Henry Miller News Picture Service / FPG, Sovfoto / Universal Images Group, Günter Peters, Ullstein bild, Jeff Morris / PA Images, HUM Images / Universal Images Group, SSPL, Hulton Archive, iStock, Corbis, Bettmann), Shutterstock (Netpixi, Santi S), Wikimedia Commons, Computer History Museum, Engineering and Technology History Wiki, Archiv des Deutschen Museums, Computer History Museum, Calisphere / University of California

Выпускающий редактор: Алексей Степанов

Корректоры: Виктор Афанасьев, Александра Синицына

Дизайнеры: Полина Вари, Евгений Рыбкин

Арт-директор: Ольга Скворцова

© Skillbox Media, 2022