5. Перехід до транзисторів
Сучасний комп'ютер є набором електронних перемикачів, які використовуються як для представлення інформації в двійковому коді (у вигляді двійкових одиниць — бітів), так і для управління її обробкою. Ці електронні перемикачі можуть знаходитися в двох станах — включено і вимкнено, що дозволяє використовувати їх для зберігання двійкової інформації.
У перших комп'ютерах використовувалися так звані тріоди — вакуумні лампи, винайдені Лі Де Форестом (Lee De Forest) в 1906 році. Тріод складається з трьох основних елементів, розташованих в скляній вакуумній лампі: катода, анода і розділяючої їх сітки. При нагріванні катода зовнішнє джерело живлення випускає електрони, які збираються на аноді. Сітка, розташована у середині лампи, дозволяє управляти потоком електронів. Коли на сітку подається струм негативного потенціалу, електрони відштовхуються від сітки і притягуються катодом; при подачі струму позитивного потенціалу, електрони проходять через сітку і уловлюються анодом. Таким чином, змінюючи значення потенціалу сітки, можна моделювати стан анода включено/выключено.
На жаль, вакуумна лампа як перемикач виявилася малоефективною. Вона споживала багато електроенергії і виділяла велику кількість тепла — вельми істотна проблема для обчислювальних систем того часу. Вакуумні лампи виявилися ненадійними, головним чином через постійний перегрів: у великих системах лампи доводилося міняти кожні дві години або навіть частіше.
Винахід транзистора (або напівпровідника) став однією з найбільш революційних подій епохи персональних комп'ютерів. У 1947 році інженери Bell Laboratory Джон Бардін (John Bardeen) і Уолтер Браттейн (Walter Brattain) винайшли транзистор, який був представлений широкій громадськості в 1948 році. Декілька місяців опісля Уїльям Шоклі (William Shockley), один із співробітників компанії Bell, розробив модель перехідного транзистора. У 1956 році ці учені були удостоєні Нобелівської премії у області фізики. Транзистор, який, по суті, є твердотільним електронним перемикачем, замінив громіздку і незручну вакуумну лампу. Оскільки споживана транзисторами потужність незначна, побудовані на їх основі комп'ютери мали набагато менші розміри і відрізнялися вищою швидкодією і ефективністю.
Транзистори складаються в основному з кремнію і германію, а також добавок певного складу. Провідність матеріалу залежить від складу введених домішок і може бути негативною, тобто N-типу, або позитивної, Р-типу. Матеріал обох типів є провідником, що дозволяє електричному струму вибирати будь-який напрям. Проте при з'єднанні матеріалів різних типів виникає бар'єр, внаслідок чого електричний струм певної полярності тече тільки в одному напрямі. Саме тому такий матеріал називається напівпровідником.
Для створення транзистора матеріали Р- і N-типа слід розмістити "спиною один до одного", тобто помістити пластину одного типу між двома пластинами іншого типу. Якщо матеріал середньої пластини володіє провідністю Р-типу, то транзистор буде позначений як NPN, а якщо N-типу — то як PNP.
У транзисторі NPN одна з пластин N-типу, на яку звичайно подається струм негативного потенціалу, називається емітером. Середня пластина, виконана з матеріалу Р-типу, називається базою. Друга пластина напівпровідника N-типу називається колектором.
Транзистор NPN по своїй структурі схожий на тріодну електронну лампу: емітер є еквівалентом катода, база еквівалентна управляючій сітці, а колектор подібний аноду. Змінюючи потенціал електричного струму, що проходить через базу, можна управляти потоком електронів, що проходить між емітером і колектором.
В порівнянні з електронною лампою транзистор як перемикач володіє набагато більшою ефективністю, маючи при цьому воістину мікроскопічні розміри. Наприклад, останні моделі мікропроцесорів Pentium П і Ш полягають більш ніж з 27 млн. транзисторів!
Перехід з вакуумних електронних ламп на транзистори поклав початок процесу мініатюризації, який продовжується і до цього дня. Сучасні моделі портативних або кишенькових комп'ютерів, що працюють на акумуляторах, мають вищу продуктивність, ніж системи, що займали колись цілі кімнати і споживаючі величезну кількість електроенергії.