पिछले सप्ताह मैंने "जूल थीफ" के पीछे की गुप्त भौतिकी का खुलासा किया, एक विद्युत सर्किट जो आपको मृत प्रतीत होने वाली बैटरियों से अधिक ऊर्जा निकालने की सुविधा देता है। यह पता चला कि चाबी एक ट्रांसफार्मर और एक ट्रांजिस्टर की एक चतुर जोड़ी थी। लेकिन ट्रांजिस्टर अपनी अलग हेडलाइन का हकदार है, क्योंकि शायद यह 20वीं सदी का सबसे महत्वपूर्ण आविष्कार है।

ट्रांजिस्टर के बिना जीवन बिल्कुल अलग होगा। शुरुआत के लिए, कोई पर्सनल कंप्यूटर या सेल फोन नहीं होगा, इसलिए कोई अमेज़ॅन नहीं, कोई वीडियो गेम नहीं, कोई डेटिंग ऐप्स नहीं, कोई मैसेजिंग नहीं, कोई स्ट्रीमिंग नहीं, कोई सोशल मीडिया नहीं, कोई ऐप्पल पे या Google मैप्स नहीं, और कोई AI (हम्म)। कारों में अरबों ट्रांजिस्टर होते हैं। वे सचमुच हर जगह हैं। तो ट्रांजिस्टर क्या है?

इस महत्वपूर्ण तकनीक को समझने का सबसे अच्छा तरीका विकासवादी पथ का अनुसरण करना है, 1800 के दशक में टेलीग्राफ में उपयोग किए जाने वाले विद्युत रिले तक।

टेलीग्राफ लाइनें मूल रूप से लंबे विद्युत सर्किट थे। और आपने शायद इसके बारे में पहले कभी नहीं सोचा था, लेकिन वे बैटरियों पर चलते थे - आदिम, कम वोल्टेज वाली बैटरियां जो टेलीग्राफ स्टेशन की पूरी कोठरी को भर देती थीं - क्योंकि उस समय कोई विद्युत ग्रिड नहीं था।

1835 में आविष्कार किया गया विद्युत रिले, इन प्रणालियों में एक प्रमुख घटक था। मूल रूप से, यह एक स्विच था जो विद्युत धारा को चालू और बंद करता था - दीवार के स्विच की तरह जिसका उपयोग आप लाइट चालू करने के लिए करते हैं। लेकिन उंगलियों की कमी के कारण, रिले ने स्विच को फ्लिप करने के लिए दूसरे विद्युत प्रवाह का उपयोग किया। आप करंट चालू करने के लिए करंट का उपयोग क्यों करेंगे? यह एक अच्छा प्रश्न है.

मान लीजिए आप 50 मील दूर किसी दूसरे शहर में लाइट जलाना चाहते हैं। ठीक है, आप उपयोगिता खंभों पर वास्तविक लंबे तार लगाएंगे। फिर आप लाइट को चालू और बंद कर सकते हैं, और टेक्स्ट संदेश भेजने के लिए बिंदुओं और डैश वाले कोड का उपयोग भी कर सकते हैं। लेकिन एक समस्या थी: तार जितना लंबा होगा, उसका प्रतिरोध उतना ही अधिक होगा, इसलिए एक समझदार संकेत देने के लिए पर्याप्त विद्युत प्रवाह नहीं हो पाएगा।

समाधान? सर्किट को दो 25-मील लंबाई में विभाजित करें और उन्हें एक रिले से कनेक्ट करें। जब आप पहले सर्किट पर स्विच बंद करते हैं, तो यह रिले को संचालित करता है, दूसरी बैटरी से अगले सर्किट के माध्यम से करंट का समान पैटर्न भेजता है और प्रकाश चालू करता है। यहाँ एक आरेख है:

बेशक, टेलीग्राफ ने लाइट के बजाय बजर का इस्तेमाल किया, लेकिन विचार वही था। वैसे भी, रिले का उपयोग आज भी व्यापक रूप से किया जाता है, और एक करंट का उपयोग करके दूसरे करंट को चालू करने के विचार ने सभी प्रकार की संभावनाओं को खोल दिया है। उदाहरण के लिए, कारों में, यह आपको हाई-पावर सर्किट पर स्विच करने के लिए कम-पावर डैशबोर्ड नियंत्रण का उपयोग करने देता है जो स्टार्टर, हेडलाइट्स या एयर कंडीशनर जैसी चीजों को संचालित करते हैं।

रिले कैसे काम करता है? मूलतः, यह सिर्फ एक विद्युत चुम्बक है। यहां वास्तविक जीवन के उदाहरण के साथ एक सरल आरेख दिया गया है:

अंदर एक लोहे की कोर के चारों ओर तार की एक कुंडली लिपटी हुई है। जब इस नियंत्रण तार से विद्युत धारा प्रवाहित होती है तो यह एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। यह शीर्ष पर लगे धातु स्विच को नीचे खींचता है, जो आउटपुट तार से संपर्क करता है। आपने रिले सुनी होगी. जब आपके ओवन का थर्मोस्टेट हीटिंग तत्व को चालू और बंद करता है, तो यह वह ध्वनि क्लिक करता है।

यद्यपि रिले अच्छे और उपयोगी हैं, वे बुनियादी चालू/बंद स्विच हैं। हमारे पास कुछ और है जो एक वैरिएबल रिले की तरह है - वैक्यूम ट्यूब, जिसका आविष्कार 1905 के आसपास हुआ था, जिसने पुराने समय के रेडियो को संभव बनाया।

आप वैक्यूम ट्यूब को एक संशोधित प्रकाश बल्ब के रूप में सोच सकते हैं। गरमागरम रोशनी सिर्फ एक पतली तार होती है जो करंट प्रवाहित होने पर अत्यधिक गर्म हो जाती है, जिससे वह चमकने लगती है। उस फिलामेंट को एक कांच के कंटेनर के अंदर रखा जाता है, और हवा को बाहर निकाल दिया जाता है ताकि फिलामेंट जले नहीं। (यह बल्ब का पूरा उद्देश्य है - ऑक्सीजन को बाहर रखना।)

लेकिन कुछ और भी होता है, जिसे आप नहीं देख सकते: जब फिलामेंट अत्यधिक गर्म हो जाता है, तो उसमें से इलेक्ट्रॉन बाहर निकल जाते हैं। चूँकि इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह एक विद्युत धारा है, आप इन थर्मल इलेक्ट्रॉनों का उपयोग रिले के समान तरीके से कर सकते हैं। यहां एक अल्पविकसित वैक्यूम ट्यूब का चित्र दिया गया है:

इलेक्ट्रॉन बल्ब से कलेक्टर प्लेट तक यात्रा करते हैं, जो आउटपुट करंट बनाता है। अब, ऐसा करना एक मूर्खतापूर्ण तरीका लग सकता है। लेकिन अगर हम फिलामेंट और कलेक्टर के बीच एक और तार (एक ग्रिड) जोड़ते हैं, तो हम इस आउटपुट करंट को नियंत्रित कर सकते हैं। नियंत्रण पर एक नकारात्मक वोल्टेज आउटपुट करंट को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को कलेक्टर से दूर धकेल देगा। ग्रिड पर सकारात्मक वोल्टेज डालने से आउटपुट करंट का प्रवाह बढ़ जाता है।

तो यह फिर से एक करंट स्विच है, और रिले की तरह, इसे एक अलग तार द्वारा नियंत्रित किया जाता है। लेकिन दो बड़े अंतर हैं: पहला, कोई यांत्रिक संपर्क नहीं है, जिसका अर्थ है कि आउटपुट करंट बहुत तेजी से बदल सकता है। दूसरा, आउटपुट करंट सिर्फ चालू या बंद नहीं होता है; यह नियंत्रण वोल्टेज की ताकत के साथ भिन्न हो सकता है।

इसी ने पहले ऑडियो एम्पलीफायरों को संभव बनाया। यदि आपके पास किसी दूर के रेडियो स्टेशन से कमजोर सिग्नल है, तो यह स्पीकर को चलाने के लिए पर्याप्त करंट उत्पन्न नहीं करेगा ताकि आप कुछ भी सुन सकें। लेकिन यदि आपने उस सिग्नल को वैक्यूम ट्यूब में नियंत्रण वोल्टेज में डाला है, तो आपको एक आउटपुट मिल सकता है जो बहुत मजबूत है फिर भी मूल सिग्नल के समान पैटर्न (संगीत की तरह) बनाए रखता है।

लेकिन रुकिए! वैक्यूम ट्यूब के साथ आप कुछ और भी कर सकते हैं—आप एक कंप्यूटर बना सकते हैं। हाँ, प्रारंभिक कंप्यूटर अन्य वैक्यूम ट्यूबों द्वारा नियंत्रित वैक्यूम ट्यूबों का एक समूह मात्र थे, जो लॉजिक गेट बनाते थे। आपने एक इनपुट सिग्नल का उपयोग किया है जो या तो 1 वोल्ट या 0 वोल्ट है। एक AND गेट में दो सिग्नल इनपुट और एक आउटपुट होता था। यदि दोनों इनपुट 1 वोल्ट हैं, तो इसका आउटपुट 1 वोल्ट है। अन्यथा यह 0 वोल्ट देता था। यदि कोई भी इनपुट 1 वोल्ट है तो एक OR गेट 1 वोल्ट आउटपुट देगा।

दरअसल, आप इलेक्ट्रिक रिले वाला एक कंप्यूटर बना सकते थे। लेकिन रिले वैक्यूम ट्यूबों की तुलना में बहुत धीमी हैं, और वह सब क्लिक करना और खड़खड़ाना परेशान करने वाला होता। वैक्यूम ट्यूब मूक, पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनिक घटक थे, जिनमें कोई हिलने वाला भाग नहीं था, और यह गेम चेंजर था।

फिर भी, वैक्यूम ट्यूब के साथ तीन समस्याएं थीं। वे बहुत अधिक बिजली का उपयोग करते थे, इसलिए शुरुआती कंप्यूटर गर्म चलते थे, बड़े पैमाने पर शीतलन प्रणाली की आवश्यकता होती थी, और उन्हें संचालित करना बेहद महंगा था। दूसरे, ट्यूब नाजुक थीं और आसानी से जल जाती थीं, इसलिए कंप्यूटरों को निरंतर रखरखाव की आवश्यकता होती थी। (वस्तुतः, पूर्णकालिक कर्मचारियों की तरह जिन्होंने अपना दिन मृत ट्यूबों का पता लगाने और उन्हें बदलने में बिताया।) अंत में, ट्यूब बस बड़ी थीं। 1945 में ENIAC जैसे शुरुआती कंप्यूटर, पूरे कमरे भर देते थे।

1947 में बेल लैब्स में आविष्कार किए गए ट्रांजिस्टर ने अर्धचालकों का उपयोग करके यह सब ठीक कर दिया। यह एक ऐसा शब्द है जिसे आप हर समय सुनते हैं, लेकिन अर्धचालक क्या है? अच्छा, आप जानते हैं कि कैसे कुछ सामग्रियां (जैसे तांबा) बिजली का संचालन करती हैं, जबकि अन्य (जैसे रबर) विद्युतरोधी होती हैं? खैर, एक अर्धचालक (सिलिकॉन की तरह) एक या दूसरे के बीच स्विच कर सकता है।

अर्धचालक दो प्रकार के होते हैं: यदि आप सिलिकॉन में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड़ते हैं, तो आपको एक एन-प्रकार अर्धचालक मिलता है; इलेक्ट्रॉनों को हटा दें और आपको पी-प्रकार प्राप्त होगा। निःसंदेह, इलेक्ट्रॉनों पर ऋणात्मक आवेश होता है, इसलिए गायब इलेक्ट्रॉन धनात्मक आवेश की तरह कार्य करते हैं, और हम उन्हें "इलेक्ट्रॉन छिद्र" कहते हैं।

विभिन्न प्रकार के अर्धचालकों को मिलाकर एक ट्रांजिस्टर बनाया जाता है। यहां एनपीएन ट्रांजिस्टर नामक एक उदाहरण दिया गया है:

दो n-प्रकार के अर्धचालकों को p-प्रकार द्वारा अलग किया जाता है। यह इलेक्ट्रॉनों को इनपुट क्षेत्र ("स्रोत") से आउटपुट क्षेत्र ("ड्रेन") में जाने से रोकता है। हालाँकि, यदि नियंत्रण या गेट पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन आउटपुट में जा सकते हैं। हां, एक बार फिर, यह मूल रूप से एक स्विच है, जहां एक करंट दूसरे करंट को चालू करता है - लेकिन अब बहुत बेहतर नियंत्रण के साथ।

सबसे अच्छी बात यह है कि उन्हें छोटा किया जा सकता है—और ओह बॉय ओह बॉय, क्या वे कभी थे। फ़्लोर-स्टैंडिंग रेडियो कंसोल को "ट्रांजिस्टर रेडियो" द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था, जो 1950 और 60 के दशक में किशोरों द्वारा हर जगह ले जाया जाता था। उनमें छह से 10 ट्रांजिस्टर होते थे। आज, iPhone 17 Pro में 30 बिलियन तक ट्रांजिस्टर हैं। यह पागलपन है, लेकिन यही हमारी कंप्यूटर-आधारित दुनिया को चलाता है।

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