Чтобы создать усилитель из полупроводников, нужно между двумя слоями полупроводника n-типа расположить прослойку из полупроводника p-типа. Получившееся устройство называется NPN-транзистором, а тремя его составными частями являются коллектор, база и эмиттер.
На рисунке приведено схематическое изображение NPN-транзистора.
Небольшое напряжение на базе управляет гораздо большим током, проходящим от коллектора к эмиттеру. При отсутствии напряжения на базе транзистор закрывается.
Как правило, транзисторы имеют вид небольших металлических цилиндров диаметром примерно 6,4 миллиметра с тремя проводами.
Разработка транзистора ознаменовала начало эры твердотельной электроники, которая называется так потому, что транзисторы не требуют использования вакуумных ламп и создаются из твердых веществ, в частности из полупроводников, чаще всего из кремния (в наши дни). Помимо того, что по сравнению с вакуумными лампами транзисторы имеют куда меньшие размеры, они потребляют гораздо меньше электроэнергии, генерируют меньше тепла и дольше служат. Носить в кармане ламповый радиоприемник было невозможно. Транзисторный радиоприемник может питаться от небольшой батарейки и, в отличие от лампового, не нагревается. Ношение транзисторного радиоприемника в кармане стало возможным для некоторых счастливчиков, распаковавших подарки в рождественское утро 1954 года. В этих первых карманных радиоприемниках использовались транзисторы, выпущенные компанией Texas Instruments, сыгравшей важную роль в полупроводниковой революции.
Однако первым коммерческим применением транзисторов было их использование в слуховых аппаратах. В память о многолетней работе Александра Белла с глухими людьми корпорация AT&T разрешила изготовителям слуховых аппаратов применять транзисторные технологии, не платя за использование патентов. Первый транзисторный телевизор был выпущен в 1960 году, и сегодня ламповых приборов практически не найти. (Хотя некоторые меломаны и электрогитаристы по-прежнему предпочитают ламповые усилители их транзисторным аналогам.)
В 1956 году Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать компанию Shockley Semiconductor Laboratories. Он переехал в Пало-Альто (Калифорния), где вырос. Его компания стала первым местным предприятием, работающим в данном направлении. Со временем в этой местности появились другие полупроводниковые и компьютерные компании, а область к югу от Сан-Франциско теперь неофициально называется Кремниевой долиной.
Вакуумные лампы изначально разрабатывались для применения в усилителях, однако их также можно было использовать в качестве переключателей в логических вентилях. То же самое касается транзистора. На следующем рисунке изображен вентиль И на основе транзисторов, структура которого напоминает версию с реле. Только когда входы A и B равны логической единице, то есть на базу подается положительное напряжение, оба транзистора проводят ток, а выход равен 1. Резистор при этом предотвращает короткое замыкание.
Соединив два транзистора так, как показано на схеме справа, вы получите вентиль ИЛИ. В вентиле И эмиттер верхнего транзистора соединен с коллектором нижнего. В вентиле ИЛИ коллекторы обоих транзисторов подключены к источнику питания. Эмиттеры соединены между собой.
Как видите, все, что мы узнали о создании логических вентилей и других компонентов из реле, справедливо и для транзисторов. Реле, лампы и транзисторы изначально разрабатывались в основном для усилителей, однако из них можно собрать логические вентили для компьютеров. Первые транзисторные компьютеры были созданы в 1956 году, и спустя несколько лет лампы перестали применяться.
Транзисторы, безусловно, делают компьютеры более надежными, компактными и экономичными. Но облегчают ли они процесс сборки?
На самом деле нет. Разумеется, транзистор позволяет уместить больше логических вентилей в меньшем пространстве, однако вам по-прежнему придется беспокоиться о соединении всех этих компонентов. Соединить транзисторы в логические вентили так же сложно, как реле и вакуумные лампы. Этот процесс усложняется еще и меньшим размером, а также тем, что транзисторы труднее держать. Если бы вы решили собрать компьютер, описанный в главе 17, и массив RAM емкостью 64 килобайт из транзисторов, то большая часть времени на этапе проектирования была бы потрачена на разработку некой структуры, где бы крепились все компоненты. Основной физический труд сводился бы к утомительному соединению миллионов транзисторов.
Как мы уже выяснили, существуют определенные комбинации часто встречающихся транзисторов. Пары транзисторов почти всегда соединены в вентили. Из вентилей часто собираются триггеры, сумматоры, селекторы или дешифраторы. Триггеры объединяются в многобитные защелки или массивы RAM. Собрать компьютер было бы проще, если бы транзисторы были предварительно объединены в распространенные конфигурации.
Эту идею, по-видимому, впервые предложил британский физик Джеффри Даммер, который в ходе выступления в мае 1952 года сказал: «Я хотел бы заглянуть в будущее. С появлением транзистора и работ по полупроводникам в целом сегодня, по-видимому, можно ставить вопрос о создании электронного оборудования в виде твердого блока без каких-либо соединительных проводов. Этот блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, преобразующих сигнал из переменного в постоянный и усиливающих сигнал материалов. Задание электронных функций компонентов и их соединение должным образом может быть выполнено путем вырезания участков отдельных слоев».
Однако на создание работающего продукта ушло еще несколько лет.
Ничего не зная о прогнозе Даммера, в июле 1958 года Джек Килби из компании Texas Instruments подумал, что на одном кристалле кремния можно объединить несколько транзисторов, а также резисторы и другие электрические компоненты. Шесть месяцев спустя, в январе 1959 года, практически та же идея возникла у Роберта Нойса (1927–1990). Сначала Нойс работал в компании Shockley Semiconductor Laboratories, но в 1957 году он и еще семеро ученых покинули ее, чтобы основать корпорацию Fairchild Semiconductor Corporation.
В сфере технологий одновременное изобретение — довольно распространенное явление. Несмотря на то что Килби изобрел свое устройство за шесть месяцев до Нойса, а компания Texas Instruments подала заявку на патент раньше, чем Fairchild Semiconductor, Нойс получил патент первым. Последовавшие за этим судебные тяжбы завершились с устраивающим всех результатом только спустя десять лет. Несмотря на то что Килби и Нойс никогда не работали вместе, сегодня они считаются соавторами интегральной микросхемы (ИС), обычно называемой чипом.
