Tarihteki en önemli keşif, buluş, gelişme nedir? Geniş düşünelim. İnsanlık tarihinden bahsediyorum. Yüzbinlerce yıldan…
Ateş? Tekerlek? Kağıt? Buharlı makineler?
Hepsi ayrı ayrı çok önemli, çağ açan gelişmeler evet.
Ama bana kalırsa çok ama çok daha önemli bir buluş var.
İnsanlığın son dönemde gösterdiği gelişmeleri gözünüzün önüne getirin. Bilgisayarları, uzay seyahatlerini, cep telefonlarını… İnternet, otomasyon, elektrikli araçlar, uçaklar, uydular… Aklınıza ne gelirse. Geleceği de düşünün. Yapay zeka, artırılmış gerçeklik, yıldızlararası yolculuklar… Bilgi çağı ya da uzay çağı. Ne derseniz diyin.
Hepsini mümkün kılan ve kılacak tek bir icat var. Her şeyi başlatan ufacık bir parça.
TRANSİSTÖRLER!
Peki tüm bu gelişmelerin arkasında. Bu ufacık devrimin arkasında Kuantum Fiziği var desem? Her şeyi. Hepsini Kuantum Fiziğine borçluyuz desem?
Tüm bu karmaşanın, anlaşılmaz diye düşündüğümüz teorilerin insanlığa armağanı.
Yani “Bu bilgi benim gerçek hayatta ne işime yarayacak” sorusunun cevabıdır bu video.
Ne alaka? Video sonunda anlayacaksınız. O yüzden gelin önce Transistörlerden, Silikonlardan, Vadilerden bahsedelim. Sonra hepsini bağlayalım birlikte…
20. yüzyılın başlarında bilgisayarlar yavaş yavaş ortaya çıkmaya başladığında devasa boyutlardaydı. Tonlarca ağırlıkta ve bir oda büyüklüğündeydi. Bugüne bir sıçrama yapalım. Bu videoyu şu an telefonunuzdan izliyorsanız bu tonlarca ağırlıktaki işlem kapasitesinin milyarlarca kat daha hızlısını şu an avucunuzda tutuyorsunuz anlamına geliyor. Burada telefonunuza sarılabilirsiniz. J
Bunu mümkün kılan ise işte Transistör adını verdiğimiz minicik bir cihazdı.
Transistör dediğimiz şey ise aslında en basit haliyle 3 adet yarı iletkenin birbirine eklenmiş halidir.
O yüzden yarı iletken nedir ondan bir bahsedelim önce.
Herkesin bildiği gibi metal iletken ama mesela cam yalıtkan maddedir.
Bunun arasında olan. Yani hem iletken hem yalıtkan olabilen maddelere ise yarı iletken diyoruz.
Bunlardan en verimli olanı ise silikondur. Silikon normalde yalıtkan bir maddedir ama biraz ısıttığınız zaman iletken olabilir. Bazen ısıtmaya da gerek yoktur. Sporculardan bildiğimiz “doping” adı verilen bir işlemle de silikonu geliştirebilir ve iletken hale getirebilirsiniz.
Normalde 4 elektronu bulunan bir silikon atomu çevresindeki atomlarla bağ oluşturduğu zaman stabil bir durumdadır. Elektronlarda hareket edecek kadar enerji yoktur. Ama silikona çok benzer bir atomu, mesela fosfor atomunu enjekte ettiğiniz zaman 5 elektronu olan bu fosfor atomu yanında getirdiği bir ekstra elektronla elektronların hareketlenmesini ve akım iletmesini sağlar. Elektronların da negatif yüklü olmasından dolayı buna teknik olarak n-tipi transistör diyoruz.
Tam tersi. Bor gibi 3 elektronlu bir atomu enjekte ettiğiniz zaman da silikonda bir boşluk ortaya çıkacak ve pozitif yük artacağı için buna p-tipi yani pozitif tip transistör diyoruz.
Şimdi bu n-tipi ve p-tipi silikonu alın birbirine yapıştırın. N tipinde fazla elektron var, P tipinde eksik elektron var. Haliyle bu fazla elektron P tipine geçecek ve hayırlı olsun. Elinizde bir diyot var. Diyot tek taraflı akım geçişine izin veren bir aygıttır ve elektronik cihazlarda yaygın şekilde kullanılır.
Ama bir p tipi ve 2 n tipi silikonu birbirine yapıştırdığınızda ne olur peki?
Evet.
Hayırlı olsun. Şimdi de bir transistörünüz var. Bu bağlantı PNP ya da NPN şeklinde olabilir.
Ama elektron bir taraftan diğerine geçtiğinde ne oluyor? Haliyle iki taraf da nötrleniyor. Bu yüzden iki bölüm arasına çok az bir pozitif voltaj uyguluyorsunuz. Bu sayede elektronlar sürekli yer değiştiriyor.
İşte bunun için transistörlerin 3 terminali vardır. Base, emiter ve collector denir bunlara. En basit haliyle bir musluğa benzetebiliriz. Akım gerçekleşmesi için musluğu açmanız gerekir. İşte vana bildiğimiz base görevi görür. Açtığınızda akım geçer. Kapattığınızda geçmez.
Ve işte bu sayede dünyayı değiştiriyoruz.
Tüm bu teknik bilgilerin özeti şu aslında. Transistörler bildiğimiz anahtarlar gibi çalışıyor. Açıyorsunuz veya kapatıyorsunuz. Ama bunu hiçbir hareketli parça olmadan yapıyorsunuz. Sizin bir şey yapmanıza gerek yok. Ve bu işlem sizin yapabileceğinizden milyonlarca kat daha hızlı gerçekleşiyor.
Ve transistörler akımların güçlendirilmesi için de kullanılabilir akımın açılması veya kapatılması için de.
Ve bu açık kapalı durumu da bilgi çağının en önemli özelliğidir. Evet. Binary’den bahsediyorum. Tüm bilgisayarların çalışma mantığından. 1lerden ve 0lardan. Bilgisayarlarınızın dilinden bahsediyorum yani. Anladığı tek dil bu 1’ler ve sıfırlardan oluşan dildir. Aslında teknik bir karşılığı vardır. İşlemcinizdeki transistörlerin açık veya kapalı olmasını ifade eder bunlar.
Fakat transistörler bir devrim yaratsa bile bugünkü halini alması için çok ama çok küçülmesi gerekiyordu. Bunun için de başka bir devrime daha ihtiyaç vardı. Entegre devreler. Entegre devre dediğimiz şey de bugün mikroçip olarak da bildiğimiz içinde transistör, diyot veya direnç gibi farklı parçaları barındıran parçalardır. Burada da Robert Noyce devreye girecekti. İlk entegre devreyi silikon kullanarak icat edecek ve bir süre sonra hepimizin çok yakından tanıdığı bir şirketi Gordon Moore ile birlikte kuracaktı. Intel Corporation. Evet. Intel’i kuran iki isim de birer Fizikçidir. Konuşacağız birazdan.
Hemen burada hızlı bir bilgi vereyim.
Baştan beri silikondan bahsedip duruyoruz. Bilenler vardır ama Amerika’daki Silikon Vadisinin de ismi buradan gelmektedir. Robert Noyce da entegre devre ile kişisel bilgisayarların temelini attığı için Silikon Vadisine ismini veren kişi olarak görülür.
Ve gelişen teknoloji ile birlikte transistörler ve haliyle entegre devreler gittikçe küçülmekte ve bugün bildiğimiz haliyle önceden devasa yerler kaplayan bilgisayarları kol saati şeklinde taşıyabilecek hale getirmiştir.
Bu noktada da Intel’i Noyce ile birlikte kuran Gordon Moore’un çok ünlü Moore Yasasından kısaca bahsetmemiz gerekir.
Moore Yasası bize özetle şunu söyler. Bu entegre devreler içindeki transistörlerin yoğunluğu her yıl ikiye katlanacak. Yani her yıl iki kat daha küçük entegre devreler elde edebilecek ve çok çok küçük bilgisayarlar üretebileceğiz.
Örnek vermek gerekirse. 70’lerde 120 mm çapındaki bir devrede 10.000 kadar transistör bulunuyordu. Kocaman bilgisayarlardı bunlar haliyle. 80’lerde bu sayı 1.000.000’a yükselecekti. 90’ların sonunda Pentium MMX’leri hatırlayanlar varsa işte onların içinde 50.000.000 kadar transistör bulunuyordu. 2000’lerin sonunda sayı bir milyarı bulacaktı. Bugün ise örneğin bir Iphone 7’de 2 milyarın üzerinde transistör bulunuyor. Mikroskobik boyutlarda çalışan milyarlarca küçük parça.
Şimdi Moore yasası bu zamana kadar da çok başarılı gelmiş bir kanundu.
Ama transistörler küçüldükçe küçüldü ve şu anda bir kapıya dayanmış durumdalar. Elektronların geçmesini veya geçmemesini sağlayan transistörler küçüldükçe bu anahtarlama görevini yapamaz hale gelmeye başladı. Çünkü nano boyutlarda elektronları durduracak gerekli bariyeri elde edemiyorsunuz. O yüzden Moore yasasının tıkanıp kaldığı kapıya geldik. Bu kapının ardında bizi çok başka bir evren bekliyor. Fakat öncesinde son bir sorumuz kaldı.
Peki transistörlerin fizikle, özünde kuantum fiziği ile alakası nedir?
Baştan beri anlattığım gibi tüm bu süreçler atomlar ve elektronların ilişkileri üzerine kurulmuştur. Ve bu bağlantıları araştıran ve elektronik cihazlarda kullanılacak, yarı iletken silikonlardan icat edilen çok daha verimli transistörleri icat eden isimler William Bradford Shockley, John Bardeen ve Walter Houser Brattain’dır. Ve bu isimler birer fizikçidir.
Hatta 1956 yılında ortaya çıkardıkları bu devrimsel aygıt sayesinde Nobel Fizik Ödülünü almışlardır.
İşte bize bu gelişmeleri sağlayan her şeyin temelinde yine fizik çalışmaları yatmaktadır.
Ve yine Moore yasasına dönersek şu anda bu yasanın tıkanıp kaldığı yer şurasıdır.
Bir şeyi bu kadar küçülttüğünüz zaman Newton’ın evrenini, Klasik Fiziği arkanızda bırakmanız gerekiyor.
Niels Bohr’un, Heisenberg’ün evrenine girmeli ve bu evrenin kurallarına göre oynamanız gerekiyor.
Evet.
Kuantum Dünyasına tekrar hoş geldiniz!
Sıra geldi Kuantum Bilgisayarlarına…
Ama bu öyle geçiştirilecek bir konu değil. Kendi başına ayrı bir videoyu hak ediyor.
Gördüğünüz gibi. Çok bağlantısız gördüğümüz alanlar. Çok bağlantısız gördüğümüz çalışmalar aslında o kadar birbirine bağlı ki.
Bugüne kadar gördüğümüz tüm gelişmelerin temelinde yatan küçücük bir parçanın arkasında bile o kadar önemli bir miras var ki. Maxwell’in, Einstein’ın Hertz’in, Max Planck’ın… Hepsinin emeği var.
Ve aslında bilimin güzelliği de işte burada yatıyor. Bugün yaptığınız bir keşif, insan hayatını kolaylaştırmak veya güzelleştirmek için attığınız bir adım yarın devasa bir gelişmeye dönüşebiliyor.
Bakalım gelecekte bizi neler bekliyor.
Hep birlikte göreceğiz!
Bebar Bilim’i daha iyi yerlerde görmek isterseniz Katıl butonundan veya Patreon’dan desteklerinizi bekliyorum.
Ayrıca sosyal medyadan da takip edebilir ve Discord kanalımızdaki müthiş ortama siz de katılabilirsiniz.
Ve her zaman olduğu gibi.
Tekrar görüşene dek.
İyi ki varsınız!
Sevgiler…
Kaynaklar:
https://www.build-electronic-circuits.com/how-transistors-work/