Әлемді өзгерткен кішкентай ғана заттың тарихы

Бүгінгі күнде әр құрлыққа телефон, видео байланыс жасай алуыңыз, супер компьютерлермен адам санасына кірмейтін есептерді шығара алуыңыз, соңғы үлгідегі iPhone 14 ұстап жүргеніңіз бәрі де осы транзистордың арқасы. Ендеше транзистор деген бұл зат қайдан шықты, қалай пайда болды, тарихы мен жұмыс істеу принципіне тоқталайық.  

1880 жылы Франция үкіметі Александр Беллге (Alexander Graham Bell) телефонды ойлап тапқаны үшін Вольт сыйлығы (Volta Prize) мен  50,000 франк ақшалай сыйлық береді. Александр Белл бұл қаражаттың барлығын өз атындағы зертхананы құруға жұмсайды. Александр Белл серіктестерімен бірігіп әлемде алғаш рет телефон компаниясын құрды. Компанияның аты "Америка Телефон және Телеграф" компаниясы, қысқаша AT&T деп аталды. Бұл компания сол кезде барлық телефон байланыстарды жеке иемденген алып компания болып шығады.

Ол кезде телефон сигналы өте нашар және алыс аралыққа телефонмен хабарласу өте қиын еді. Американың екі штаттары арасында телефон сигналы әрең жететін. Сондықтан да ол кезде телефонмен сөйлесу үшін арнайы тыныш бөлмеге кіріп, телефонды құлаққа барынша жақын ұстап тұрмаса телефон даусын есту мүмкін емес еді.

AT&T компаниясы телефон байланысын жақсартуға Ли де Форест (Lee de Forest) деген ғалымды жұмысқа алып, телефон сигналын күшейтуді тапсырады. Ли де Форест көптеген тәжірибе жасап жүріп ақыры вакуум-түтік немесе радио лампасы (vacuum tube) деп аталатын құрылғыны ойлап табады.

Бұл вакуум лампасы қарапайым үш бөліктен тұрады: электрон таратқыш (k), электрон жинақтаушы тор (g) және электрон қабылдағыш (a). Жоғарыдағы схемалық суретте олар “k”, “g” және “a” әріптерімен белгіленіп тұр. Ал сол жақтағы вакуум лампасының ішіндегі сары тақташа сол электрон қабылдағыш, ал ортасындағы ирек сым электрон жинақтаушы тор, ал астындағы ұсақ сымдар электрон таратқыштар.

Бұл вакуум лампасының жұмыс істеу принципі мынадай: к бөлігін немесе астынғы сымдарды электр тогымен қыздырады. Ол қызған кезде электрон жинақтаушы торға қарай электрон атқылайды (барлық қызған металл электрон бөледі), осылайша  электрон жинақтаушы торға сигнал немесе әлсіз ток береді. Ал электрон жинақтаушы торға электрондар жинақталып қалғандықтан ол барлық жинақталған электрондарды электрон қабылдағышқа “a” бөлікке немесе үстіңгі сары тақташаға қарай лақтырады. Сөйтіп, тоспаға суды жинап алып ағыза салған сияқты, электрон жинақтаушы торға келген әлсіз сигнал немесе әлсіз ток электрон қабылдағышқа күшті сигнал болып барады. Қысқасы, Ли де Форест осылай алғаш рет әлсіз сигналды күшейткен алғашқы адам болып тарихта қалды.

Дәл осы қарапайым вакуум түтік 1907 – 1947 жылдар арасында өте кең қолданыс тапты. Вакуум лампасы қолданған AT&T телефон компаниясы АҚШтың барлық аймақтарында телефон байланысын орната алды.

Сонымен бірге ІІ Ддүниежүзілік соғыста да радардың және радио байланыстарының сигналын күшейту үшін вакуум түтігі ең көп қолданылған еді.

Ол олма, әлемдегі ең алғашқы компютерге де компютер сигналын күшейту үшін осы вакуум лампалары қолданылған. Бұл вакуум лампаларының көлемі үлкен болғандықтан 10-20 вакуум лампалары өте көп орын алатын еді.

1946 жылы ең алғашқы құрастырылған  ENIAC компьютерлерінде   17,468 вакуум лампасын қолданған және оларды қыздыру үшін 150 kW энергия жұмсайтын еді.

Бірақ бұл вакуум лампасының кемшіліктері де өте көп еді. Олар көлемі үлкен, қыздыруға уақыт және көп энергия жұмсалады, сонымен бірге ұзақ пайдаланғанда оңай жанып кететін еді. Сондықтан жиы алмастырып тұру керек. Телефон байланысы күн сайын артып кеткендіктен, вакуум лампасын жиы алмастырып тұрмаса жанып кететіндіктен өте көп адам күзетіп отыратын.  Сондықтан Белл лабораториясы сигнал күшейтетін басқа бір затты ойлап табуға тырысты.

Сөйтіп, Белл лабораториясы сол кездегі ең ақылды деген ғалымдарды жұмысқа шақырып аталған проблеманы шешуге кеңес сұрайды. Атақты ғалым Вилиам Шоклиге  (William Shockley) бұл жұмысты тапсырады. Вилиам Шокли көмекке Жон Бардин (John Bardeen) және Волтер Браттин (Walter Brattain) деген ғалымдарды шақырады да аталған мәселені шешуге кіріседі.

Алғаш транзисторды жасап шыққан үш ғалым

Жоғарыдағы үш ғалым жартылай өткізгіштерді пайдаланып вакуум лампасына өте ұқсас бір құрылғыны жоспарлайды. Жартылай өткізгіштер әдетте ток өткізбейді. Олар периодтық кестесіндегі IV топтың элементтері: кремний, германий сияқты элементтер.  Жартылай өткізгіштер метал мен метал еместердің шекарасына орналасқан. Яғни металдар ток өткізеді, метал еместер ток өткізбейді. Ал жартылай өткізгіштер жағыдайға байланысты токты не өткізеді немесе өткізбейді.

Вилиам Шокли жоғарыдағы сол жақтағы суреттегідей схема жасайды. Ол былай ойлайды: жартылай өткізгішке аз мөлшерде ток жіберсек, жартылай өткізгіштің электрондары қозғалысқа келеді, сосын үстінгі тақтадан көбірек ток жіберсек пайда болған электр өрісі жартылай өткізгіштен электрондарды тасымалдайды, яғни ток өткізеді. Сөйтіп әлсіз сигналды күшейте аламыз, деп ойлайды. Бірақ тәжірибе жасағанда Шоклидің ойлағаны іске аспай, сәтсіз аяқталады. Шокли не проблема болғанын Жон Бардин мен Волтер Браттинге тексеруге тапсырма береді.

Жон Бардин жартылай өткізгіштің беткі қабатында мәселе болуы мүмкін деп, ток өткізуге кедергі болып жатқан заттарды сұйық азотпен қатырып тастамақшы болады. Бұл ойы дұрыс болып шығады, бірақ сигналды аз ғана күшейтеді. Дегенімен, бұл олардың ең алғашқы сәтті тәжірибесі еді. Бірақ материал жасау үшін үнемі сұйық азот құйып отырмайды ғой, сондықтан жартылай өткізгіш кремний немесе германийдің бетін заряд тасымалдайтындай етіп өңдеу керек. Олар германий мен кремнийдің бетіне ананы да жағып, мынаны да жағып қанша сынақ қыласа да тәжірибесі сәтті болмайды. Осылай тағы бір жыл өтеді. Бір күні тәжірибе барысында Жон Бардинның жұмыс істеп жатқан кремнийдің бетіне су тамып кетеді. Ол суды сүртіп тастамай қызық үшін көре салмашы болады. Бірақ қызық болғанда байқаусызда болған бұл тәжірибе өте сәтті болып шығады. Сол кезден бастап кремнийдің бетіне иондар отырғызу керек екенін түсінеді. Бұл тәжірибені қайталау арқылы электр өрсін беретін материал мен қабылдайтын металдардың жартылай өткізгіштің (кремний немесе германий) бетіне барынша жақын тұруы керек екенін де түсінеді.

Олар осылайша үшбұрышты пластикке алтын жапырақты орап, бұрыштағы алтынды кесіп екі бөлек қылып қояды да, германийдің бетіне жақын қояды. Сөйтіп, германий арқылы берілген сигнал электр өрісінің әсеріне ұшырап қабылдағыш (collector) жақтағы алтын жапырақтан күшті сигналға айналып шығады. Сонымен бұл құрылғының атын қалай қоюды ақылдасады. Өздерінің ойына еш ат келмегендіктен ғылыми фантазиялық шығарма жазатын өзінің көне досы транзистор деп ат қойып береді. Алғашқы транзистор осылай өмірге келген еді. Сосын әртүрлі пішінде жасалып шықты.

 Төмендегі суретте осы ең алғашқы транзистор. 

Бірақ алғашында бұл жаңалық көп елді таң қалдыра қоймады.

Бір күні бұл жаңа транзисторлардың болашағын көре білген екі жапондық жас кәсіпкер Масару Ибука (Masaru Ibuka) мен Акио Морита (Akio Morita) келіп бұл жаңа транзисторларды өндіріске енгізіп, көп мөлшерде өндірмекші болады. Сөйтіп  Масару Ибука мен Акио Морита жаңа өндіріс ашады да, оның атын барлық халықтың тіліне жеңіл болу үшін SONY деп қояды. Бүгінде әлемге әйгілі болған атақты SONY компаниясы жұмысын осылай бастаған еді.

SONY компаниясын құрушылар

Бұл транзисторлар бұрынғы вакуум лампасына қарағанда әлде қайда кішкене және сигналды жақсы күшейте алатындықтан, SONY компаниясы ең алғаш рет 4 транзистор қолданып, қалтаға салып жүруге болатын кішкене радио жасап шығады.

SONY компаниясының электроника әлемін жаулауы осылай басталған еді.

Ал Америкалықтар радио жасаудан Жапондармен бәсекеге түсе алмай, олар транзисторларды соғыс құралдары мен зымырандар жасауға пайдаланылды. Ал Жапондарға дүние жүзілік екінші соғыстан жеңілген ел ретінде  соғыс құралдарын өндіруге тиым салған болатын.  Солайша бұл Транзистордың арқасында Жапондардың электроника өндірісі қатты дамып кетті. Ал Америкалықтар транзисторды пайдаланып соғыс құралдары мен зымыран кешенін дамытты.

Бастаптағы үш ғалымға,  Вилиам Шокли, Жон Бардин және Волтер Браттин 1956 жылы Тарзисторды тапқаны үшін физикадан Нобел сыйлығы беріледі.

Бұл атақты үш ғалым жалғасты бірге жұмыс жасай алмады. Бұл үштіктің басшысы болған Вилиам Шокли мінезі өте жаман адам болған деседі. Транзистор пайда болған соң жоғарыдағы ғалымдар мен бірге жұмыс жасай алмады. Бірақ тағы да үш Gordon Moore, Robert Noyce, Arthur Rock сияқты екі ғалым бір бизнесмен мен бірге транзистор жасайтын компания ашпақшы болады. Бірақ аталған үшеуі Вилиам Шоклиден бөлініп өздері жеке компания ашады. Олардың компаниясы атақты Intel компаниясы еді. Бүгінде миллиардтаған долларлық атақты Intel компаниясы осылай пайда болған еді.

Қысқасы Транзистордың пайда болуы электроника дәуіріндегі ең үлкен жетістік болды. Қазірде электроника саласында транзистор қолданбайтын сала жоқ. Кішкене ойыншықтан бастап, үлкен типтегі Марсқа ұшатын зымырандар ға дейін; кішкентай электронды сағаттан бастап үлкен типтегі супер компютерге дейін транзистор мен жұмыс жасайды. Ең алғашқы радиоға 4 транзистор қолданған болса қазір супер компьютерлер миллиардтаған транзисторлар мен жұмыс жасайды.

Бұрын транзисторлар сантиметр өлшемде болса, қазір жағдайға қарай кейбір транзисторлар көзге көрінетіндей болса, кейбір транзисторлар нанометр өлшемінде яғни жәй көзге көрінбейді.

Қазір сіздің телефоныңыздың суреттерді барынша тұнық түсіруі осы транзисторларды барынша көп қолдана алғаның арқасы;

Қазір сіздің телефоныңыздың дыбысы барынша анық болуы осы транзисторларды барынша көп қолдана алғаның арқасы;

Қазір сіздің телефоныңыздың жады 1 терабайдқа жетуі тағы да осы транзисторларды барынша көп қолдана алғаның арқасы;

Қазір телевизорлардың кескінді барынша тұнық етіп көрсете алуы тағы да сол транзисторлардың арқасы.

Қазіргі есептегіш машиналар қаншалықты транзисторларды көп қолдана алса солғұрлым бір уақытта көп есеп шығара алады.

Қазір электронды заттардың барынша кішірегені осы транзисторлардың кішірегінің арқасы.

Мысалы 2000 жылдың басындағы смартфондарда 3 миллионға дейін транзисторлар болған болса, ал 2021 жылы Apple компаниясы 15 миллиард транзистордан тұратын Apple A15 процессор жасап шықты.  Соның нәтижесінде Apple A15 процессорын қолданған әйгілі iPhone 13, iPhone 14 смартфондары пайда болды.

Ол ғана емес Apple компаниясы 2022 жылы 114 миллиард транзистордан тұратын Apple M1 Ultra процессорын жасап шықты.

Ал 2023 жылы 134 миллиард транзистордан тұратын Apple M2 Ultra процессорын ойлап тапты. Демек болашақта iPhone 15, 16 смартфондары үшін процессоры дайын тұр деген сөз.

Бүгінде 2016 жылы шыққан соңғы үлгідегі Intel Core i7 компьютер мишықтарында (CPU) 3 200 000 000 транзистор бар екен.