トランジスタとは何か？

概要

本記事では、トランジスタが現代のコンピューティングにおいてどのように重要な役割を果たしているかについて説明します。コンピュータがどのように機能するか、そして真空管に代わって登場したトランジスタがコンピュータが可能にした驚くべきことについても説明します。

コンピュータの基礎

すべてのコンピュータは、数学的な操作を行う機械です。最初のコンピュータは、算盤のような手動の計算装置であり、後のものは機械的な部品を使用しました。それらをコンピュータにしたのは、数値を表現する方法と、それらを操作するためのシステムを持っていたことです。

電子コンピュータとブール論理

電子コンピュータは同じように機能しますが、数値は電気の電圧で表されます。ほとんどの電子コンピュータは、真偽値（真と偽の2つの可能な値）だけを持つブール論理という種類の数学を使用します。これらはバイナリデジットの1と0で示されます。高電圧と低電圧で表されます。方程式は、特定の論理文を満たすかどうかに基づいて1または0の出力を生成する論理ゲート回路によって実装されます。これらの回路は、論理積、論理和、否定の3つの基本的な論理演算を実行します。

電流制御の信頼性の高い方法が必要

論理積の動作方法は、ANDゲートは2つの高電圧入力を受信した場合にのみ高電圧出力を提供し、他のゲートも同様の原理で動作します。回路は加算や減算などの複雑な操作を実行するために組み合わせることができ、コンピュータプログラムはこれらの操作を電子的に実行するための命令で構成されます。このようなシステムには、電流を制御するための信頼性の高い正確な方法が必要です。

真空管とその制限

ENIACなどの初期の電子コンピュータは、真空管という装置を使用していました。その初期形態であるダイオードは、真空ガラス容器内に2つの電極があります。陰極に電圧を印加すると、加熱されて電子が放出されます。陽極がわずかに高い正電位にある場合、電子はそれに引き寄せられ、回路が完成します。この一方向の電流流は、陰極の電圧を変化させることで制御でき、より多くまたは少ない電子を放出することができます。次の段階はトライオードで、これはグリッドと呼ばれる第3の電極を使用します。これは、陰極と陽極の間のワイヤースクリーンで、電子が通過できます。その電圧を変化させることで、陰極から放出された電子を反発または引き寄せすることができ、高速な電流スイッチングが可能になります。信号を増幅する能力も、トライオードをラジオや長距離通信にとって重要なものにしました。しかし、これらの進歩にもかかわらず、真空管は信頼性が低く、かさばっていました。ENIACには18,000個のトライオードがあり、テニスコートのほぼサイズで、重さは30トンでした。真空管は毎日故障し、1時間で15軒の家庭が1日に使用する電力量を消費しました。

トランジスタの発明

解決策はトランジスタでした。電極の代わりに、シリコンなどの半導体を使用し、異なる元素で処理して電子を放出するn型と電子を吸収するp型を作り出します。これらは、エミッタ、ベース、コレクタの3つの交互の層に配置されます。この典型的なNPNトランジスタでは、PN界面で特定の現象により、エミッタとベースの間にPN接合と呼ばれる特別な領域が形成されます。特定の閾値を超える電圧が印加された場合にのみ電気を伝導します。それ以外の場合は、スイッチがオフになります。このように、入力電圧のわずかな変化を使用して、高出力電流と低出力電流を素早く切り替えることができます。