العنصر الذي غير كل شيء

أول حاسوب كان بحجم ووزن منزل وتكلف مليون دولار! الاختراع الذي ساعد في تقليله وجعله في متناول الجميع يحتفل هذا الشهر بمرور 67 عامًا - الترانزستور. ريفيتال خليف تحكي القصة وراء الاختراع

عنوان المقالة: ريفيتال خليف، جاليليو الشاب

في كل مرة يتم إطلاق وسيلة جديدة لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (تكنولوجيا المعلومات والاتصالات - الاتصالات + الحوسبة) ويتم الإشادة بصغر حجمها وخفة وزنها، تتبادر إلى ذهني صورتان من طفولتي. الأول - الاستماع إلى الراديو مع جدي العزيز، والجلوس معًا حول جهاز الراديو الكبير وانتظار "الإحماء" والبدء في إصدار الصوت؛ والثاني - زيارة إلى مبنى شركة IBM مع عمي الحبيب، في الغرفة التي كانت تضم أحد أجهزة الكمبيوتر الأولى في إسرائيل. في سبعينيات القرن الماضي، كان يُنظر إلى الكمبيوتر على أنه مجموعة من الخزانات المعدنية الكبيرة المزودة بالعديد من المصابيح الكهربائية، وخاصة أن الجو كان باردًا جدًا في تلك الغرفة! وأوضح لي عمي أن الكمبيوتر يسخن، لذا يجب أن تظل درجة الحرارة المحيطة منخفضة حتى يعمل بشكل صحيح.

الخطأ الأول

القاسم المشترك بين هذين الجهازين هو أن دوائرهما الإلكترونية تعتمد على مكون يسمى الأنبوب الفارغ. كان لهذا المكون استخدامان رئيسيان - كمضخم للتيار الكهربائي وكمفتاح أحادي الاتجاه، والذي ينقل التيار في اتجاه واحد فقط. تم وضع الأنابيب المفرغة في كل الأجهزة الإلكترونية تقريبًا في ذلك الوقت، ولعبت دورًا مركزيًا في تطوير الإلكترونيات. يشبه هذا الأنبوب أنبوب اختبار زجاجي مقلوبًا به أسلاك كهربائية وملامسات بداخله. وكانت عيوبه واضحة - الحجم الضخم (بالنسبة لخلفائه في الوقت الحاضر)، وقصر العمر بسبب التآكل، والاستهلاك العالي للطاقة، والحرارة الكبيرة التي يولدها.

استمر عالم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات في التطور، ولكن استخدام الأنبوب المفرغ كان عائقًا كبيرًا أمام تسريعه. لنأخذ بعين الاعتبار أن أول حاسوب تجاري كان وزنه 13 طناً – أي وزن منزل – وتكلف حوالي مليون دولار! لكن هذه لم تكن أوجه القصور الوحيدة، كما أن موثوقيتها لم تكن عالية أيضًا. يُقال أنه في عام 1947، كانت رائدة الكمبيوتر غريس ماري هوبر تبحث عن سبب خلل في الكمبيوتر الذي كانت تقوم بتشغيله في جامعة هارفارد، ووجدت أن نوعاً من الحشرة قد دخلت إلى الكمبيوتر، واحترقت، وتسببت في ذوبان الأنابيب الفارغة حولها. هنا، وفقًا للأسطورة، وُلِد استخدام كلمة "bug" (حشرة باللغة الإنجليزية) للإشارة إلى عطل في الكمبيوتر.

لقد بذل علماء العالم الكثير من الجهد، حتى أثناء الحرب العالمية الثانية، لإيجاد بديل للأنابيب المفرغة. وتم تخصيص ميزانيات مكررة لهذا الغرض في بريطانيا ورابطة الدول المستقلة. وانتهت الحرب قبل العثور على إجابة، واستمرت الأبحاث خلال الحرب الباردة التي كانت تدور آنذاك بين الولايات المتحدة والاتحاد السوفييتي وسباق الفضاء. كان من الواضح أنه لن يكون من الممكن تحميل مركبة فضائية بهذا الجهاز الثقيل الذي يسخن ويستهلك الكثير من الطاقة، وقبل كل شيء لا يمكن الاعتماد عليه.

الزوج المثالي

وبرزت مختبرات بيل الأمريكية، التي طورت تقنيات متقدمة لشركات الاتصالات، كشركة رائدة في هذا المجال. في سنوات الحرب العالمية الثانية، حققت مختبرات Bell تقدمًا في تطوير المكونات القائمة على مواد شبه موصلة تمت معالجتها خصيصًا. ولم يكن الطريق إلى فكرة استخدام هذه المواد كبديل للأنابيب بعيدا. ومع ذلك، كان من الضروري تطوير النظرية الفيزيائية للحالة الصلبة لفهم خصائص هذه المواد.

الفريق الذي تم تأسيسه في مختبرات بيل لتطوير تطبيقات فيزياء الحالة الصلبة ضم ويليام شوكلي، ووالتر براتين، وجون باردين. وفي عام 1972، فاز الباحثون الثلاثة بجائزة نوبل في الفيزياء عن اختراعهم، لكن الطريق إلى هناك كان مصحوبًا بعدد غير قليل من الأصوات القاسية والحسد والمنافسة.

بدأ الأمر في عام 1945، عندما تم تعيين شوكلي مسؤولاً عن مجموعة بحثية صغيرة في مختبرات بيل. ضم فريقه باردين، الذي كان قد عمل معه بالفعل قبل الحرب، وبيرثين. بدأت المجموعة العمل على تحقيق فكرة شوكلي: تطوير مكبر للصوت يعتمد على أشباه الموصلات.
كان بيردين وبيرثين زوجين مثاليين: كان بيردين عالم فيزياء نظرية، وبيرثين فيزيائيًا عمليًا؛ كان باردين يأتي بأفكار جديدة ويقترح تجارب لاختبارها، وكان بارتين الموهوب يعرف كيفية بناء النماذج في المختبر وإجراء التجارب. كان الاثنان يعملان بشكل وثيق، وكان شوكلي يدير الأمور عن بعد وكان بالكاد يشارك في الجوانب العملية للبحث.

في منتصف عام 1945، اقترح شوكلي الجهاز المعروف اليوم باسم "ترانزستور الإخراج الميداني"، لكن تكنولوجيا تلك الأيام لم تسمح ببنائه. وفي العامين الأولين، كان التقدم بطيئا ومحبطا. إن لمس المكون عن طريق الخطأ قد يؤدي إلى تشغيل مكبر الصوت، وأي حركة أخرى قد تؤدي إلى توقفه. وفي إحدى الحالات، لم يعمل مكبر الصوت على الإطلاق، ولكنه بدأ العمل على وجه التحديد عندما تم غمره في الماء.
في نوفمبر 1947، خطرت في ذهن باردين فكرة ثورية - طريقة جديدة لتصنيع مكبر الصوت. هذا هو المكان الذي برزت فيه مهارات بيرثين العملية. أخذ شفرات حلاقة ومثلثًا خشبيًا صغيرًا ومشبك ورق، وقام ببناء نموذج أولي لمكبر الصوت على طاولة المختبر. وبعد شهر، في 16 ديسمبر 1947، قام بيرثاين وبيردين بتشغيل مكبر الصوت الخاص بهما لأول مرة: حيث قاما بتوصيل الميكروفون بمدخل إشارة التحكم الخاصة به، وسمعوا أصواتهم مضخمة جيدًا في مكبر صوت متصل بمخرج مكبر الصوت.

لم يخبر بيردين وبيرتين شوكلي بالتغيير، وكان على يقين من أنهما ما زالا يحاولان تطوير مكبر للصوت يعتمد على تأثيره الميداني. المرة الأولى التي سمع فيها عن ذلك كانت فقط بعد أن كان الترانزستور يعمل بالفعل. فمن ناحية كان سعيدًا عندما سمع عن الاختراق، ومن ناحية أخرى كان غاضبًا لأن الاثنين لم يخبراه بأفعالهما. لقد شعر بالغش، كما لو أن بيردين وبيرثين قد سرقاه مجد اختراع الترانزستور.

تم تقديم الجهاز لأول مرة في 23 ديسمبر 1947. لقد كان جهازًا معقدًا ومرهقًا إلى حد ما يسمى ترانزستور نقطة الاتصال - وهو مضخم تيار مصنوع من عنصر الجرمانيوم شبه الموصل.

احتفالات النصر

احتفلت مختبرات بيل بنجاحها. لأول مرة، أصبح من الممكن التحكم بشكل موثوق ودقيق في حجم التيار الكهربائي داخل مكون صغير من أشباه الموصلات، والذي يستهلك كميات ضئيلة من الطاقة. كان هذا هو الإنجاز الذي كان يبحث عنه الجميع وبداية النهاية للأنابيب المفرغة الكبيرة والضخمة. أصدرت الشركة بيانات صحفية، ودُعيت المصورين لتوثيق باردين وبيرثاين وشكلي وهم يتكئون على أدوات المختبر في "تصوير النصر".

قامت مختبرات بيل بترخيص إنتاج الترانزستور لشركات أخرى، وفي وقت قصير ظهرت أولى الترانزستورات التجارية في السوق. وهكذا، في ستينيات القرن العشرين، كان الترانزستور أيضًا هو الاسم الشائع لراديو الترانزستور - وهو جهاز استقبال راديو محمول، يستخدم الترانزستورات (بدلاً من الأنابيب الفارغة) كمكونات إلكترونية نشطة. في السابق لم يكن من الممكن إنتاج أجهزة استقبال راديو محمولة على الإطلاق.

اليوم، تستخدم الإلكترونيات "دوائر متكاملة" - مكونات صغيرة يتم تصنيعها باستخدام أساليب فريدة من نوعها على مواد شبه موصلة، والتي تحتوي على ملايين الترانزستورات. تتيح هذه المكونات تصغير عالم الحوسبة والاتصالات.
ماذا بعد؟ يبحث العديد من الباحثين في العالم عن حلول أخرى، خارج عالم أشباه الموصلات، على سبيل المثال من مجال البيولوجيا الجزيئية - الموصلات الكهربائية المصنوعة من الجزيئات. لا يزال اسم اللعبة كما هو اليوم - صغيرة قدر الإمكان وموثوقة ودقيقة وتستهلك طاقة أقل.

هل كنت تعلم
ما هو أشباه الموصلات؟ يجب أن تكون على دراية بالمواد التي توصل الكهرباء، والمواد العازلة التي لا توصل الكهرباء. شبه الموصل عبارة عن مادة تكون موصليتها الكهربائية في النطاق بين المواد الموصلة والمواد العازلة والتي تغير خصائص التوصيل وفقًا للظروف الخارجية المطبقة عليها - الجهد الكهربائي والضوء والحرارة وما إلى ذلك.

هل كنت تعلم
لماذا سمي الترانزستور بهذا الاسم؟ تتكون كلمة "الترانزستور" من الكلمتين "انتقال" (انتقال - تغييرات) و"مقاوم" (مقاوم - مقاومة)، أي مكون ذو مقاومة كهربائية متغيرة.

> الكاتب هو صاحب إعلامية - من المعلومات إلى المعرفة

* تم نشر المقال في عدد ديسمبر 2014 من مجلة يونج جاليليو

هل تريد قراءة المزيد؟ للحصول على مجلة جاليليو شابة كهدية

قم بزيارة صفحتنا على الفيسبوك