Beynimiz nöron adı verilen yaklaşık 100 milyar hücreye sahiptir — bir şeyleri düşünmemize ve hatırlamamıza izin veren minik anahtarlar. Bilgisayarlar da milyarlarca minyatür "beyin hücresi" içerir. Transistör olarak adlandırılır ve kumda bulunan bir kimyasal element olan silisyumdan oluşurlar. Transistör, yarım yüzyıldan uzun bir süre önce John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley tarafından icat edildi ve elektronikte devrim yarattı. Peki transistör nedir ve nasıl çalışır?
Transistör ne işe yarar?
Transistör gerçekten basit ve gerçekten karmaşıktır. Basit kısımla başlayalım. Bir transistör, iki farklı işi yapabilen minyatür bir elektronik bileşendir. Bir amplifikatör veya bir anahtar olarak çalışabilir: Bir amplifikatör olduğunda, bir uçtan küçük bir elektrik akımı alır (giriş akımı) ve diğer uçtan çok daha büyük bir elektrik akımı (çıkış akımı) bırakır. Başka bir deyişle bir tür güçlendiricidir.
Bu yüzden insanların transistörleri kullandığı ilk cihazlardan biri işitme cihazı oldu. Bir işitme cihazının içinde, çevrenizdeki dünyadan sesleri alan ve bunları dalgalı elektrik akımına dönüştüren küçük bir mikrofon vardır. Mikrofon, küçük bir hoparlöre güç veren bir transistörden beslenir, böylece çevredeki sesler çok daha yüksek şekilde duyulur.
Transistörün mucitlerinden William Shockley, bir keresinde bir öğrenciye transistör amplifikatörünü eğlenceli bir şekilde açıklamıştır: "Bir balya saman alıp onu bir katırın kuyruğuna bağlar, sonra bir kibrit çakar ve saman balyasını ateşe verir, ardından katır tarafından sarf edilen enerjiyi, kibriti çakarken sarfettiğiniz enerjiyle karşılaştırırsanız, amplifikasyon kavramını anlayacaksınız."
Transistör ayrıca anahtar olarak da çalışabiliyor. Bir transistörün bir kısmından verilen küçük bir elektrik akımı, başka bir kısmındaki çok daha büyük bir akımı başlatabilir. Yani küçük bir akım düğme görevi görür ve daha büyük akımın geçişine izin verir. Tüm bilgisayar yongalarının (çip) çalışma şekli budur.
Örneğin, bellek yongası, her biri ayrı ayrı açılıp kapatılabilen yüz milyonlarca hatta milyarlarca transistöre sahip. Her transistör iki farklı durumda olabileceğinden, 0 ve 1 olmak üzere iki farklı sayı saklar. Milyarlarca transistörlü bir çip, milyarlarca 0 ve 1 ve de aynı sayıda sayı ve harf (veya resmi adıyla "karakter") depolayabilir.
Eski tip makinelerin en güzel yanı nasıl çalıştığını anlamak için kolayca parçalara ayırabilmenizdir. Ancak elektronikler tamamen farklıdır. Her şey elektriği elektron kullanarak kontrol etmekle ilgili. Elektron, bir atomun içindeki çok küçük bir parçacıktır. O kadar küçük ki 0,00000000000000000000000000000001 kg'ın biraz altında! Transistörler, bu elektronların hareketlerini tek tek kontrol ederek çalışıyor, yani ne kadar küçük olduklarını hayal edebilirsiniz. Tırnak büyüklüğündeki modern bir bilgisayar çipinde 500 milyon ila 2 milyar transistör var. Nasıl çalıştığını anlamak için transistörü parçalara ayırma şansımız yok, bu yüzden onu teori ve hayal gücüyle anlamak zorundayız. Öncelikle bir transistörün neyden yapıldığını öğrenelim.
Bir transistör nasıl üretiliyor?
Transistörler, kumda bulunan ve normalde elektrik iletmeyen (elektronun kolayca geçmesine izin vermeyen) kimyasal bir element olan silisyumdan yapılıyor. Silisyum yarı iletkendir, yani ne gerçekten iletken (elektrik akışına izin veren metal gibi bir şey) ne de yalıtkandır (elektrik akışını durduran plastik gibi bir şey). Silisyuma safsızlık (empürite) ile muamele etmek (doping olarak bilinen işlem), kimyasal davranışını değiştiriyor. Silisyuma arsenik, fosfor veya antimon kimyasal elementlerini eklemek ona ekstra "serbest" elektron kazandırıyor – elektrik akımı taşıyabilen – böylece elektron artık doğal şekilde silisyumdan akabiliyor.
Elektronlar negatif yüke sahip olduğundan, bu şekilde işlenen silisyuma n-tipi (negatif tip) denir. Ayrıca silisyuma bor, galyum ve alüminyum gibi diğer safsızlıklar da ekleyebilirsiniz. Bu şekilde işlenen silisyuma ise p-tipi (pozitif tip) deniyor. Daha az "serbest" elektrona sahiptir ve bu nedenle yakındaki maddelerin elektronu ona akma eğiliminde olur.
Silisyum sandviçler
Bu iki farklı silisyum türü katmanlar halinde bir araya getirilip p tipi ve n tipi materyalden sandviç haline getirildiğinde artık farklı türde elektronik bileşenler tasarlanabiliyor.
Bir parça n-tipi silikonu bir parça p-tipi silikonla birleştirip her iki tarafa da elektrik kontağı koyduğunuzu varsayın. Akımı açarsanız elektronlar n-tipi taraftan p-tipi tarafa akar ve devre boyunca devam eder. Bunun nedeni, p-tipi taraftaki elektron eksikliğinin elektronları n-tipi taraftan çekmesidir (ve tam tersi).
Ancak akımı tersine çevirirseniz elektron hiç akmaz. Buna diyot (veya doğrultucu) denir. Akımın yalnızca bir yönde geçmesini sağlayan elektronik bileşendir. Alternatif (iki yönlü) elektrik akımını, doğru (tek yönlü) akıma dönüştürmek istendiğinde kullanışlıdır. Diyot ayrıca içinden elektrik geçtiğinde ışık verecek şekilde tasarlanabiliyor. Bu ışık yayan diyotları LED denir.
Bilgisayardaki transistör nasıl çalışır?
Bir transistörün kaynak, geçit (veya kapı) ve boşaltma görevlerini üstlenen ayakları vardır ve bu yolla elektrik sinyalini üretir, yükseltir ve yönlendirir. Geçit ayağına voltaj uygulandığında, kaynak ayağından gelen akım artık boşaltma ayağına geçebilir. Gerilim geçit ayağından alındığında artık akım geçemez.
Transistörün yaptığı şey, geçit ve kaynak ayaklarına voltaj uygulanıp uygulanmadığına bakarak bilgisayar terimleriyle 1 ve 0 mantıksal değerlerinin üretimini sağlamak oluyor.
Transistörlere dair bilmeniz gereken ana şey bir transistörün amplifikatör veya anahtar gibi çalıştığı ve küçük bir akımı daha büyük akıma dönüştürmeyi sağladığıdır. Ancak bilmeye değer bir şey daha varsa o da bunun nasıl bilgisayarın bilgi depolamasını ve karar vermesini sağladığı.
Birkaç transistör anahtarını bir araya getirirseniz mantık kapısı (logic gate) denen ve birkaç farklı giriş akımını karşılaştırarak farklı bir çıkış veren bir şey tasarlayabilirsiniz. Mantık kapıları, bilgisayarların Boole cebri denilen matematiksel tekniği kullanarak çok basit kararlar almasını sağlıyor. Beynimizde de aynı şekilde çalışır.
Normalde bir bağlantı transistörü taban akımı yokken "kapalıdır" ve akım aktığında "açık" konuma geçer. Yani transistörü açmak veya kapatmak için elektrik akımı kullanılır. Bunun gibi transistörleri mantık kapılarına bağlarsanız çıkış bağlantısı giriş bağlantısıyla iletişimde kalır. Transistör böylece taban akım kaldırıldığında bile açık kalır. Her yeni taban akım aktığında transistör "döner" yani kapanır. Başka bir akım gelip onu diğer yöne çevirene kadar kararlı durumunda (açık veya kapalı) kalır. Bu tür bir düzenleme, flip-flop olarak biliniyor ve bir transistörü 0 (kapalı olduğunda) veya 1 (açıkken) değerlerini depolayan basit bir bellek cihazına dönüştürüyor. Flip-flop, bilgisayar bellek yongalarının arkasındaki temel teknolojidir.
Transistör nasıl icat edildi?
Transistör, 1947'de New Jersey'deki Bell Labs'ten üç parlak ABD'li fizikçi tarafından icat edildi: John Bardeen (1908–1991), Walter Brattain (1902–1987) ve William Shockley (1910–1989).
Shockley liderliğindeki ekip, ABD telefon sistemi için yeni bir tür amplifikatör geliştirmeye çalışıyordu – ancak icat ettikleri şeyin çok daha yaygın uygulamalara sahip olacağı anlaşıldı. Bardeen ve Brattain ilk pratik transistörü (nokta temaslı transistör olarak bilinir) 16 Aralık 1947 Salı günü yaptılar. Shockley projede büyük rol oynamasına rağmen dışlandığı için öfkeliydi. Bir fizik konferansı sırasında kaldığı otelde tek başına bağlantı transistörü teorisini geliştirdi – nokta temaslı transistörden çok daha iyi bir cihazdı.
Bardeen, akademisyen olmak için Bell Labs'ı bırakırken (Illinois Üniversitesi'nde süperiletkenler üzerinde daha da başarılı oldu), Brattain emekli olmadan önce bir süre öğretmen olarak çalıştı. Shockley kendi transistör üretim şirketini kurdu ve günümüz fenomeni olan "Silisyum Vadisi"ne ("Silikon Vadisi" değil) ilham verdi. Çalışanlarından ikisi olan Robert Noyce ve Gordon Moore dünyanın en büyük mikro çip üreticisi olan Intel'i kurdular.
Bardeen, Brattain ve Shockley dünyanın en iyi bilim ödülü olan 1956 Nobel Fizik Ödülü'nü almak için keşiften sadece birkaç yıl sonra yeniden bir araya geldi. Hikayeleri sürükleyicidir ve hakkında daha fazlasını okumaya değer.