Miten transistori toimii?

Transistori on eräs tärkeimmistä nykyajan keksinnöistä. Niitä käytetään käytännössä kaikissa moderneissa elektronisissa laitteissa. Yksittäinen transistori mahdollistaa virtapiirin ohjaamisen syötteen mukaan, ja sopivina rakennelmina tästä yksinkertaisesta logiikasta syntyy muun muassa tietokone. Tässä artikkelissa tutustumme tarkemmin transistoreihin.

Suuret laskutoimitukset vaativat nopeampaa laskentaa

Vaikkakin ne olivat vielä suurelle yleisölle melko tuntemattomia, tietokoneet olivat hiljalleen alkaneet yleistyä 1940-luvulla. Tämän kehityksen johdosta myös niiden ratkaistavaksi annettavat ongelmat kasvoivat koossa ja monimutkaisuudessa. Jo ensimmäiset mekaaniset tietokoneet olivat merkittävästi ihmistä nopeampia yksinkertaisissa laskutoimituksissa, kuten yhteen- ja vähennyslaskussa. Näin ollen laskutoimitusten suoritusnopeudesta muodostuu kriittinen ominaisuus tietokoneelle.

Mekaanisten tietokoneiden ongelma oli, nimensä mukaisesti, mekaaninen liike. Se aiheuttaa osien kulumista ja rajoittaa laskentanopeutta, vähintään mekaanisen kytkimen liikkeeseen vaadittavalla ajalla. Näiden huonojen puolien voittamiseksi kehitettiin elektroniputki, joka tunnetaan myös tyhjiöputken ja radioputken nimellä. Elektroniputkeen perustuvassa kytkimessä ei ole liikkuvia osia, joten se pystyy vaihtamaan tilaansa kymmeniä tai satoja kertoja useammin kuin mekaaninen kytkin. Siitä huolimatta putket eivät olleet kovin kestäviä tietokonekäytössä, ja aikansa putkitietokoneet toimivat harvoin edes kokonaista päivää ilman, että putkia rikkoutui.

Transistorin keksiminen vuonna 1947 johti lähes välittömästi mullistukseen elektroniikan alalla. Transistori ei sisällä liikkuvia osia, kuluttaa huomattavasti vähemmän virtaa ja sen laskentateho on jälleen seuraavaa suuruusluokkaa edeltäjäänsä verrattuna. Transistorin keksiminen käytännössä lopetti elektroniputkien käytön tietokoneissa kuin seinään.

Pystyäkseen esittämään ja käsittelemään suuria numeroita, kytkimiä on kytkettävä sopiviin kytkentöihin toistensa kanssa. Mikropiiri koostuu pääasiassa mikroskooppisen pienistä transistoreista, jotka on kytketty tietyllä tavalla toisiinsa. Sen keksiminen 1950-luvulla johti lopulta yleiskäyttöisten (eli ei vain tiettyjä, tarkoin määriteltyjä käyttötarkoituksia varten tehtyjen) tietokoneiden syntymiseen.

Yksittäisen transistorin rakenne ja toimintaperiaate

Transistori on kytkin, eli sen toiminta ja hyödyllisyys perustuvat kykyyn kytkeä ja katkaista virta. Ensimmäiset transistorit olivat monimutkaisia ja sisälsivät lukuisia osia, mutta tässä keskitymme vain nykyaikaiseen mikroprosessorista löytyvään matalajännitteiseen transistoriin. Suurempiakin transistoreja on käytössä muihin tarkoituksiin.

Nykyaikainen transistori perustuu puolijohdetekniikkaan. Transistori on käytännössä hyvin pieni johdin, joka on katkaistu keskeltä ja väliin laitettu puolijohdemateriaalia. Puolijohde on nimitys erityisille materiaaleille, jotka johtavat sähköä tietyssä tilassa ja toisessa eivät. Transistorissa puolijohteen sähkönjohtavuutta ohjataan niin sanotulla kantavirralla, eli puolijohteeseen kytkettävällä johtimella. Näin saavutetaan sama toiminnallisuus, kuin aiemmin esitellyillä mekaanisilla kytkimillä ja elektroniputkilla.

Transistorien pienentyessä alati vaaditaan yhä tarkempaa ja tarkempaa valmistusteknologiaa. Tietokoneprosessorien yhteydessä puhutaankin esimerkiksi 16 nanometrin prosessoreista, joka viittaa niiden sisältämien transistorien kokoon. Tarkka valmistusteknologia on tarpeen myös ratsastustarvikkeiden tekemisessä ratsastajan ja hevosen turvallisuuden ja mukavuuden takaamiseksi. Coupiilta saat parhaat alennuskoodit Horze-ratsastustarvikekauppaan!

Mikropiiri luo perustan modernille tietokoneteknologialle

Yksittäisen transistorin toiminta ei vaikuta kovin hyödylliseltä. Binäärimatematiikan avulla niistä voidaan kuitenkin rakentaa niin sanottuja portteja, jotka puolestaan voidaan järjestään suorittamaan erilaisia tehtäviä. Tällaisia perus- tai konetason tehtäviä ovat esimerkiksi yhteen- ja vähennyslasku sekä tiedon tallentaminen.

Ymmärtääksemme näiden porttien toimintaa, on syytä käydä läpi hieman tämän mysteerisen binäärimatematiikan perusteita. Se on matematiikan osa-alue, joka tutkii logiikkaa eli totuusarvoja. Binäärimaailma saa nimensä siitä, että se käsittää vain kaksi tilaa: tosi ja epätosi. Tämä ominaisuus tekee siitä erittäin hyödyllisen, kun tavoitteena on ohjelmoida tietokone käyttäen transistoreja. Muistathan, että transistori on pohjimmiltaan vain kytkin, joka voi kytkeä virran joko päälle tai pois. Tämä on suoraan verrattavissa binäärimatematiikan tosi ja epätosi –pariin. Kolmas tapa esittää tämä pari on nolla ja ykkönen, joiden sarjoja kutsutaan binäärikoodiksi.

Binäärimatematiikka tarjoaa käyttöömme kolme loogista porttia, joiden nimet ovat NOT, AND ja OR, ja ne vertailevat nimensä kuvailemalla tavalla saamiensa kahden binääriarvon keskinäistä suhdetta. Näistä kolmesta portista luoduilla komponenteilla on rakennettu modernit tietokoneet.

Tietokoneen mikroprosessori perustuu siis transistoreihin, jotka on pakattu tiiviisti yhteen ja kytketty toisiinsa hyödyntäen edellä mainittuja rakenteita. Näin muodostuvia komponentteja kutsutaan mikropiireiksi, ja ne voivat sisältää miljardeja transistoreja muutamien neliömillimetrien kokoisella alueella. Prosessorissa transistorit ja niiden muodostamat rakenteet on kytketty niin, että laite on ohjelmoitavissa ja lopputuloksena saadaan yleiskäyttöinen tietokone, joka on ohjelmoitavissa uudelleen kutakin käyttötarkoitusta varten.

Leave a Reply