晶體管計算機

晶體管計算機

計算機
晶體管計算機是指20世紀50年代末到60年代的計算機。主機采用晶體管等半導體器件,以磁鼓和磁盤為輔助存儲器,采用算法語言(高級語言)編程,并開始出現操作系統。由于采用晶體管代替電子管,所以很輕,且運算速度比較快,達到每秒幾十萬次[1] 。晶體管計算機的基本邏輯元器件由電子管改為晶體管( Transistor),内存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯,外存儲器采用磁盤。與此同時,計算機軟件技術也有了較大發展,提出了操作系統的概念;編程語言除了彙編語言外,還開發了Ada、 FORTRAN、 COBOL等高級程序設計語言,使計算機的工作效率大大提高 。
    中文名:晶體管計算機 外文名: 用途: 類 别:IT計算機 學 科:信息科學 制造地:美國貝爾實驗室

簡介

這是第二代電子計算機。在20世紀50年代之前第一代,計算機都采用電子管作元件。電子管元件在運行時産生的熱量

太多,可靠性較差,運算速度不快,價格昂貴,體積龐大,這些都使計算機發展受到限制。于是,晶體管開始被用來作計算機的元件。晶體管不僅能實現電子管的功能,又具有尺寸小、重量輕、壽命長、效率高、發熱少、功耗低等優點。使用晶體管後,電子線路的結構大大改觀,制造高速電子計算機就更容易實現了。

第一代計算機(電子管計算機)使用的是“定點運算制”,參與運算數的絕對值必須小于1;而第二代計算機(晶體管計算機)增加了浮點運算,使數據的絕對值可達2的幾十次方或幾百次方,計算機的計算能力實現了一次飛躍。同時,用晶體管取代電子管,使得第二代計算機體積大大減小,壽命延長,價格降低,為計算機的廣泛應用創造了條件

發展

真空管時代的計算機盡管已經步入了現代計算機的範疇,但因其體積大、能耗高、故障多、價格貴,從而制約了它的普及和應用。直到晶體管被發明出來,電子計算機才找到了騰飛的起點。

1947年:Bell 實驗室的William B.Shockley 、 John Bardeen 和Walter H.Brattain 發明了晶體管,開辟了電子時代新紀元。

1949年:劍橋大學的Wilkes 和他的小組制成了一台可以存儲程序的計算機,輸入輸出設備仍是紙帶。

1949年:EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer--電子離散變量自動計算機)--第一台使用磁帶的計算機。這是一個突破,可以多次在磁帶上存儲程序。這台機器是John von Neumann 提議建造的。

1950年:日本東京帝國大學的Yoshiro Nakamats 發明了軟磁盤 ,其銷售權由IBM公司獲得 。由此開創了存儲時代的新紀元。

1951年:Grace Murray Hopper 完成了高級語言編譯器。

1951年:UNIVAC-1 --第一台商用計算機系統誕生,設計者是J.Presper Eckert 和John Mauchly。被美國人口普查部門用于人口普查,标志着計算機進入了商業應用時代。

1953年:磁芯存儲器被開發出來。

1954年:IBM 的John Backus 和他的研究小組開始開發FORTRAN(FORmula TRANslation) ,1957 年完成。這是一種适合科學研究使用的計算機高級語言。

1957年:IBM 開發成功第一台點陣式打印機。

晶體管

晶體管(transistor)是一種固體半導體器件,可以用于檢波、整流、放大、開關、穩壓、信号調制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關,基于輸入的電壓,控制流出的電流,因此晶體管可做為電流的開關,和一般機械開關(如Relay、switch)不同處在于晶體管是利用電訊号來控制,而且開關速度可以非常之快,在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。半導體三極管,是内部含有兩個PN結,外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信号有放大和開關等作用,應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路,叫做晶體管-晶體管邏輯電路,書刊和實用中都簡稱為TTL電路,它屬于半導體集成電路的一種,其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是将若幹個晶體管和電阻元件組成的電路系統集中制造在一塊很小的矽片上,封裝成一個獨立的元件。半導體三極管是電路中應用最廣泛的器件之一,在電路中用“V”或“VT”(舊文字符号為“Q”、“GB”等)表示。半導體三極管主要分為兩大類:雙極性晶體管(BJT)和場效應晶體管(FET)。晶體管有三個極;雙極性晶體管的三個極,分别由N型跟P型組成發射極(Emitter)、基極 (Base) 和集電極(Collector);場效應晶體管的三個極,分别是源極 (Source)、栅極(Gate)和漏極(Drain)。晶體管因為有三種極性,所以也有三種的使用方式,分别是發射極接地(又稱共射放大、CE組态)、基極接地、集電極接地。最常用的用途應該是屬于訊号放大這一方面,其次是阻抗匹配、訊号轉換……等,晶體管在電路中是個很重要的組件,許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。三極管的導通 三極管處于放大狀态還是開關狀态要看給三極管基極加的直流偏置,随這個電流變化,三極管工作狀态由截止-線性區-飽和狀态變化而變, 如果三極管Ib(直流偏置點)一定時,三極管工作在線性區,此時Ic電流的變化隻随着Ib的交流信号變化,Ib繼續升高,三極管進入飽和狀态,此時三極管的Ic不再變化,三極管将工作在開關狀态。 三極管為開關管使用時工作在飽和狀态1,用放大狀态1表示不是很科學。請對照三極管手冊的Ib;Ic曲線加以參考我的回答來理解三極管的工作狀态,三極管be結和ce結導通三極管才能正常工作。

如果三極管沒有加直流偏置時,放大電路時輸入的交流正弦信号正半周時,基極對發射極而言是正的,由于發射結加的是反向電壓,此時沒有基極電流和集電極電流,此時集電極電流變化與基極反相,在輸入電壓的負半周,發射極電位對于基極電位為正的,此時由于發射極加的是正向電壓,才有基極和集電極電流通過,此時集電極電流變化與基極同相, 在三極管沒有加直流偏置時三極管be結和ce結導通,三極管放大電路将隻有半個波輸出将産生嚴重的失真。

晶體管被認為是現代曆史中最偉大的發明之一,在重要性方面可以與印刷術,汽車和電話等發明相提并論。晶體管實際上是所有現代電器的關鍵活動(active)元件。晶體管在當今社會的重要性,主要是因為晶體管可以使用高度自動化的過程,進行大規模生産的能力,因而可以不可思議地達到極低的單位成本。雖然數以百萬計的單體晶體管還在使用,但是絕大多數的晶體管是和電阻、電容一起被裝配在微芯片(芯片)上以制造完整的電路。模拟的或數字的或者這兩者被集成在同一塊芯片上。設計和開發一個複雜芯片的成本是相當高的,但是當分攤到通常百萬個生産單位上,每個芯片的價格就是最小的。一個邏輯門包含20個晶體管,而2005年一個高級的微處理器使用的晶體管數量達2.89億個。晶體管的低成本、靈活性和可靠性使得其成為非機械任務的通用器件,例如數字計算。在控制電器和機械方面,晶體管電路也正在取代電機設備,因為它通常是更便宜、更有效地,僅僅使用标準集成電路并編寫計算機程序來完成同樣的機械任務,使用電子控制,而不是設計一個等效的機械控制。因為晶體管的低成本和後來的電子計算機、數字化信息的浪潮來到了。由于計算機提供快速的查找、分類和處理數字信息的能力,在信息數字化方面投入了越來越多的精力。今天的許多媒體是通過電子形式發布的,最終通過計算機轉化和呈現為模拟形式。受到數字化革命影響的領域包括電視、廣播和報紙。

※ 英文簡述

A transistor is a semiconductor device, commonly used as an amplifier or an electrically controlled switch. The transistor is the fundamental building block of the circuitry that governs the operation of computers, cellular phones, and all other modern electronics.

Because of its fast response and accuracy, the transistor may be used in a wide variety of digital and analog functions, including amplification, switching, voltage regulation, signal modulation, and oscillators. Transistors may be packaged individually or as part of an integrated circuit, which may hold a billion or more transistors in a very small area.

1947年12月,美國貝爾實驗室的肖克萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組,研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世,是20世紀的一項重大發明,是微電子革命的先聲。晶體管出現後,人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件,來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發明又為後來集成電路的降生吹響了号角。

20世紀最初的10年,通信系統已開始應用半導體材料。20世紀上半葉,在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機,就采用礦石這種半導體材料進行檢波。半導體的電學特性也在電話系統中得到了應用。 

晶體管的發明,最早可以追溯到1929年,當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是,限于當時的技術水平,制造這種器件的材料達不到足夠的純度,而使這種晶體管無法制造出來。

由于電子管處理高頻信号的效果不理想,人們就設法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器裡,有一根與礦石(半導體)表面相接觸的金屬絲(像頭發一樣細且能形成檢波接點),它既能讓信号電流沿一個方向流動,又能阻止信号電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰爆發前夕,貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時,發現摻有某種極微量雜質的鍺晶體的性能不僅優于礦石晶體,而且在某些方面比電子管整流器還要好。 在第二次世界大戰期間,不少實驗室在有關矽和鍺材料的制造和理論研究方面,也取得了不少成績,這就為晶體管的發明奠定了基礎。 為了克服電子管的局限性,第二次世界大戰結束後,貝爾實驗室加緊了對固體電子器件的基礎研究。肖克萊等人決定集中研究矽、鍺等半導體材料,探讨用半導體材料制作放大器件的可能性。1945年秋天,貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組,成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個實驗室工作,長期從事半導體的研究,積累了豐富的經驗。他們經過一系列的實驗和觀察,逐步認識到半導體中電流放大效應産生的原因。布拉頓發現,在鍺片的底面接上電極,在另一面插上細針并通上電流,然後讓另一根細針盡量靠近它,并通上微弱的電流,這樣就會使原來的電流産生很大的變化。微弱電流少量的變化,會對另外的電流産生很大的影響,這就是“放大”作用,布拉頓等人,還想出有效的辦法,來實現這種放大效應。他們在發射極和基極之間輸入一個弱信号,在集電極和基極之間的輸出端,就放大為一個強信号了。在現代電子産品中,上述晶體三極管的放大效應得到廣泛的應用,巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數為50左右。不久之後,他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點,來代替金箔接點,制造了“點接觸型晶體管”。1947年12月,這個世界上最早的實用半導體器件終于問世了,在首次試驗時,它能把音頻信号放大100倍,它的外形比火柴棍短,但要粗一些。

在為這種器件命名時,布拉頓想到它的電阻變換特性,即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉移電流來工作的,于是取名為trans-resister(轉換電阻),後來縮寫為transister,中文譯名就是晶體管。

由于點接觸型晶體管制造工藝複雜,緻使許多産品出現故障,它還存在噪聲大、在功率大時難于控制、适用範圍窄等缺點。為了克服這些缺點,肖克萊提出了用一種"整流結"來代替金屬半導體接點的大膽設想。半導體研究小組又提出了這種半導體器件的工作原理。

1950年,第一隻“面結型晶體管”問世了,它的性能與肖克萊原來設想的完全一緻。今天的晶體管,大部分仍是這種面結型晶體管。

1956年,肖克萊、巴丁、布拉頓三人,因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

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