ট্রানজিস্টর কি? কিভাবে কাজ করে?

আমরা যেমন আমাদের ব্রেইনে কোনো কিছুকে মনে রাখতে পারি বা মুখস্ত রাখতে পারি ঠিক একই ভাবে কম্পিউটার আপনার দেওয়া তথ্য এবং কমান্ডগুলোকেও মনে রাখতে পারে। এক্ষেত্রে আপনি বলতে পারেন আমাদের ব্রেইন রয়েছে তাই আমরা এটা পারছি; কিন্তু কম্পিউটার তো মানুষ না এটার তো ব্রেইন নেই এটা কিভাবে কমান্ড এবং তথ্যগুলো মনে রাখতে পারছে? আর এখানেই আসে ট্রানজিস্টর (Transistors) এর কথা।

আপনার ব্রেইনে প্রায় ১০০ বিলিয়ন ( দশ হাজার কোটি) এর মতো সেলস রয়েছে; এগুলোকে বলা হয় নিউরনস (neurons)। এই সেলস বা নিউরনস বা ছোট ছোট সুইচের কারণেই আপনি আপনার ব্রেইনের মাধ্যমে কোনো কিছুকে মনে রাখতে পারছেন।

অন্যদিকে কম্পিউটার কিভাবে কোনো কিছু মনে রাখতে পারে সেটা বলে দিচ্ছি। কম্পিউটারেও রয়েছে বিলিয়ন সংখ্যার মিনি ব্রেইন সেলস। কম্পিউটারের এই ব্রেইন সেলস (brain cells) কে বলা হয় ট্রানজিস্টর। এই ট্রানজিস্টর গুলো সিলিকন থেকে বানানো হয়ে থাকে; সিলিকন হচ্ছে একটি ক্যামিক্যাল উপাদান যা সাধারণত বালুতে পাওয়া যায়। আজ থেকে ৬০-৭০ বছর আগে যখন প্রথম ট্রানজিস্টর আবিস্কার হয় তখনকার তথ্য প্রযুক্তির চিত্রটি একবার গুগল করে নিন আর বর্তমানের তথ্য প্রযুক্তির অবস্থা তো আপনারা দেখতেই পাচ্ছেন!

ট্রানজিস্টর

ট্রানজিস্টর এর কাজকে দুটি ভাগে ভাগ করা যায়। ট্রানজিস্টর এর কাজ খুবই সহজ আবার খুবই কঠিন। আপনাদের বোঝার সুবিধার্তে সহজ জিনিসটি দিয়ে শুরু করছি। সহজ ভাষায় যদি বলি তাহলে ট্রানজিস্টর হচ্ছে একটি ক্ষুদ্র ইলেক্ট্রনিক জিনিস যেটি দুটি ভিন্ন ভিন্ন কাজ করতে পারে। ট্রানজিস্টর এমপ্লিফায়ার (amplifier) হিসেবে কাজ করতে পারে কিংবা সুইচ (switch) হিসেবে কাজ করতে পারে।

(ক) ট্রানজিস্টর যখন অ্যামপ্লিফায়ার হিসেবে কাজ করে তখন এটি একটি ছোট ইলেক্ট্রিক কারেন্টকে (electric current) এক প্রান্তে গ্রহণ করে অপর প্রান্তে এর থেকে অনেক বড় একটি ইলেক্ট্রিক কারেন্ট উৎপাদন করে থাকে। অন্য ভাবে বলতে গেলে এটার কাজ হচ্ছে কারেন্ট বুষ্ট করা। এই কারেন্ট বুস্ট কাজটি আমাদের টেলিফোন লাইনে সর্বপ্রথম ব্যবহৃত হয়েছিলো। টেলিফোনে এবং মোবাইল ও স্মার্টফোনে একটি ছোট মাইক্রোফোন থাকে যেটি পৃথিবীর বিভিন্ন প্রান্ত থেকে আসা সাউন্ডের ইলেক্ট্রিক তরঙ্গগুলোকে ট্রানজিস্টর বুস্ট করে ওই ছোট লাউডস্পিকারে দিয়ে দেয় এবং আমরা সেটাকে কথা হিসেবে শুনতে পারি।

(খ) ট্রানজিস্টর কিন্তু সুইচ হিসেবেও কাজ করতে পারে। একটি ট্রানজিস্টরের একটি পার্টে ছোট একটি ইলেক্ট্রিক কারেন্ট ওই ট্রানজিস্টরের অন্য পার্টে আরো অনেক বড় ইলেক্ট্রিক কারেন্ট ফ্লো হিসেবে বানাতে পারবে। এই পদ্ধতিটি কম্পিউটার প্রসেসর নির্মাণের ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়ে থাকে। একটি কম্পিউটার মেমোরি চিপে লাখ লাখ বা কোটি কোটি ট্রানজিস্টর থাকে, এদের প্রত্যেকটিকে আলাদা ভাবে অফ এবং অন করা যায়।

আর যেহেতু একটি ট্রানজিস্টর দুটি ভাগে বিভক্ত হয়ে থাকে তাই এটি দুটি ভিন্ন নাম্বারকে স্টোর করে রাখতে পারে, এগুলো হচ্ছে জিরো এবং ওয়ান (বাইনারি সংখ্যা)। কোটি কোটি ট্রানজিস্টর এর মাধ্যমে একটি কম্পিউটার চিপ কোটি কোটি বাইনারি সংখ্যাকে স্টোর করে রাখতে পারে এবং একই সাথে অনান্য সাধারণ নাম্বার এবং অক্ষরগুলোকে মনে রাখতে পারে!

পুরাতন মেশিনগুলোকে আপনি একটি সুবিধা পাবেন। যেটা হচ্ছে ওই পুরাতন মেশিনগুলো আপনি স্ক্রু-ড্রাইভার দিয়ে বা অনান্য ডিভাইসের সাহায্য নিয়ে খুলে নিতে পারেন এবং ওই মেশিনগুলো কিভাবে নির্মিত হয়েছে এবং কোন জিনিস টি কোথা থেকে কোথায় কানেক্ট করা রয়েছে তা নিজের চোখে দেখে নিতে পারবেন। কিন্তু বর্তমান যুগের ডিভাইসগুলোতে আপনি এই সুবিধাটি পাবেন না। বর্তমান যুগের ডিভাইস গুলো ইন্টারনাল পার্টসে এমন একটি প্রযুক্তি ব্যবহার করা হয় যা আপনি খালি চোখে দেখতে পারবেন না।

এখানে ইলেক্ট্রনস ব্যবহার করে ইলেক্ট্রিসিটিকে নিয়ন্ত্রণ করা হয়ে থাকে। একটি এটম (atom) এর ভিতরের একটি উপাদান হচ্ছে একটি ইলেক্ট্রন। এটি অনেক অনেক অনেক ছোট; এর ওজন হচ্ছে মাত্র 0.000000000000000000000000000001 কেজি! আর এই এক একটা ইলেক্ট্রন এর মুভমেন্টগুলোকে কনট্রোল করাই হচ্ছে ট্রানজিস্টর এর কাজ। তাহলে বুঝতেই পারছেন একটি মর্ডান ট্রানজিস্টর কতটা ছোট সাইজের। একটি মর্ডান কম্পিউটার চিপ যার সাইজ আপনার হাতের আঙ্গুলের সমান সেখানেই রয়েছে ৫০ লাখ থেকে ২০ কোটি আলাদা আলাদা ট্রানজিস্টর! এখানে আপনি এক একটি ট্রানজিস্টরকে খুলে নিয়ে আলাদা করে কখনোই দেখতে পারবেন না!

যেভাবে একটি ট্রানজিস্টর তৈরি হয়

ট্রানজিস্টরগুলো তৈরি হয় সিলিকন থেকে। সিলিকন হচ্ছে একটি কেমিক্যাল উপাদান যা বালুতে পাওয়া যায়। একটি সিলিকন কিন্তু ইলেক্ট্রিক কে সার্পোট করে না, মানে একটি সিলিকনের ভেতরে ইলেক্ট্রনস আসা-যাওয়া করতে পারে না। তাই সিলিকন কে সেমিকন্ডাক্টর (semiconductor) বলা হয়। মানে এটি কন্ডাক্টরও নয় (কন্ডাক্টর হচ্ছে একটি মেটাল জিনিস যার ভেতর দিয়ে কারেন্ট ফ্লো করতে পারে) এবং এটি কোনো ইনসুলেটরও নয় (insulator হচ্ছে একটি প্লাস্টিক জিনিস যার ভেতরে কারেন্ট আসা-যাওয়া করতে পারে না) ।

আমরা যদি সিলিকনকে doping নামের প্রক্রিয়ায় সাহায্যে পরিবর্তন করে নিতে পারি (যাকে impurities বলা হয়) তাহলে সিলিকন অন্য ভাবে আচরণ করা শুরু করবে। সিলিকনকে যদি আমরা আর্সেনিক, ফরফরাস ইত্যাদি কেমিক্যাল উপাদানের সাথে যদি dope করতে পারি তাহলে ওই সিলিকনটি কিছু অতিরিক্ত  কিছু ফ্রি ইলেক্ট্রন গ্রহণ করতে পারবে। আর ওই ইলেক্ট্রনের মধ্যে থাকে ইলেক্ট্রিক কারেন্ট, তাই ইলেক্ট্রনগুলো সেটা থেকে আরো বেশি মাত্রায় ফ্লো করতে পারবে। ইলেক্ট্রনগুলোর নেগেটিভ চার্জ থাকার কারণে সিলিকন তাকে এই ভাবে ট্রিট করে, এটাকে বলা হয় n-type (negative type) । অন্যদিকে সিলিকনের সাথে আমরা অনান্য উপাদান যেমন boron, gallium এবং aluminum মিক্স করতে পারি; এক্ষেত্রে আগের পদ্ধতির চাইলে সিলিকনগুলো কমমাত্রায় ফ্রি ইলেক্ট্রন বহন করবে। একে বলা হয় p-type (positive type) ।

সিলিকন স্যান্ডউইচ

আমরা জানতে পারলাম সিলিকন দুই প্রকারের রয়েছে। এবার আমরা যদি এই দুই প্রকারের সিলিকন কে একই সাথে একটি লেয়ারে স্যান্ডউইচ আকারে উক্ত p-type ও n-type বসাই তাহলে এগুলোর থেকে আমরা বিভিন্ন প্রকারের বিভিন্ন কাজের ইলেক্ট্রনিক কম্পোনেন্টস বানাতে পারবো। ধরুন আমরা একটি n-type সিলিকন কে একটি p-type সিলিকনের সাথে জয়েন্ট করলাম এবং অন্য সাইডে ইলেক্ট্রিক্যাল কনট্রাকস বসালাম।

এবার কারেন্ট চালু করলে দেখা যাবে যে এই দুটি সিলিকনের মধ্যে ইলেক্ট্রন ফ্লো হচ্ছে। আবার কারেন্টকে রিভার্স করে দিলে দেখবেন যে কোনো ইলেক্ট্রনই ফ্লো করবে না। আমরা যেটা বানিয়েছি তার নাম হচ্ছে diode (বা rectifier); এটি একটি ইলেক্ট্রনিক উপাদান যেটি কারেন্টকে একটি পথে ফ্লো করতে ব্যবহার করা হয়। আপনার যদি two-way ইলেক্ট্রিক কারেন্ট কে ডাইরেক্ট (one-way) কারেন্টে পরিবর্তন করার দরকার হয় তাহলে আপনি এই diode কে ব্যবহার করতে পারবেন।

এবার ধরুন আমরা দুটির জায়গায় তিনটি সিলিকন লেয়ার আমাদের স্যান্ডউইচে বসাবো। এক্ষেত্রে আমরা দুটি ধরণের স্যান্ডউইচ তৈরি করতে পারি। একটি হচ্ছে p-n-p স্যান্ডউইচ আরেকটি হচ্ছে n-p-n স্যান্ডউইচ। p-n-p হচ্ছে দুটি পি-টাইপের ভেতর একটি এন-টাইপ সিলিকন এবং n-p-n হচ্ছে দুটি এন-টাইপের ভেতর একটি পি-টাইপ সিলিকন। এবার আমরা এই তিন লেয়ারের ইলেক্ট্রিকাল কনট্রাকসকে জয়েন করে দিলে এমন একটি কম্পোনেন্ট তৈরি করতে পারবো সেটার মাধ্যমে আমরা একটি কারেন্টকে এমপ্লিফাই করতে পারবো কিংবা একে সুইচ হিসেবে অন/অফ করতে পারবো; অন্য ভাবে এটিই হচ্ছে একটি ট্রানজিস্টর!

ক্যালকুলেটরে এবং কম্পিউটারে ট্রানজিস্টর যেভাবে কাজ করে

বাস্তবে এই সমস্ত জিনিসের (ইলেক্ট্রন এবং বিভিন্ন জটিল বিষয়গুলো) একটিও আপনার জানার কোনো দরকার নেই যদি না আপনি পেশায় একজন কম্পিউটার চিপ নির্মাতা হন। একজন সাধারণ মানুষ হিসেবে আপনার এটুকুই জানলে হবে যে একটি ট্রানজিস্টর দুটি ভাবে কাজ করে, একটি হচ্ছে অ্যামপ্লিফায়ার হিসেবে অপর টি হচ্ছে একটি সুইচ হিসেবে। দুটি ভাবেই ট্রানজিস্টর কারেন্ট নিয়ে কাজ করে থাকে। তবে একটি জিনিস আসলেই জেনে নিতে পারেন, যা হচ্ছে এই সহ জিনিসগুলো কিভাবে একটি কম্পিউটারে তথ্যগুলোকে জমা রাখতে পারে (বা মনে রাখতে পারে) এবং কিভাবে একটি কম্পিউটার নিজে থেকেই কোনো সিদ্ধান্ত নিতে পারে।

আমরা একাধিক ট্রানজিস্টর সুইচ একত্র করে একটি লজিক গেইট তৈরি করতে পারি। একটি লজিট গেইট কয়েকটি ইনপুট কারেন্টকে রূপান্তরিত করে আউটপুটে ভিন্ন করে বের করে থাকে। এই লজিক গেইট একটি কম্পিউটারকে খুব সহজ সিদ্ধান্ত নিতে সাহায্য করে। এই সিদ্ধান্ত নেওয়ার প্রক্রিয়াটি একটি ম্যাথমেটিক্যাল টেকনিকের মাধ্যমে হয়ে থাকে যাকে ইংরেজিতে বলা হয় Boolean algebra। এই একই পদ্ধতির মাধ্যমে আমাদের ব্রেইনও সিদ্ধান্ত নিয়ে থাকে। এই Boolean algebra তে বিভিন্ন কমান্ড থাকে এবং বিভিন্ন সিচুয়েশন থাকে।

কম্পিউটার এই সিচুয়েশনের মধ্যে এই কমান্ডগুলোর সঠিক প্রয়োগের মাধ্যমে গাণিতিক ভাবে সিদ্ধান্ত নিয়ে থাকে। কমান্ডগুলো হচ্ছে AND OR, NOR, XOR, NOT, NAND ইত্যাদি। এই কমান্ডগুলোর সাহায্যেই কম্পিউটার বাইনারি সংখ্যাকে যুক্ত করতে পারে কিংবা তুলনা করতে পারে। আর এটাই হচ্ছে একটি কম্পিউটার প্রোগ্রামের একদম তৃণমূল একটি উপাদান। একে বলা হয় লজিক্যাল সিরিজ অফ ইন্সটাকশন যা একটি কম্পিউটারকে কি করতে হবে, কেন করতে হবে, কখন করতে হবে তা ঠিক করে দেয়।

একটি জাংশন ট্রানজিস্টর কোনো কারেন্ট ছাড়া সাধারণত off মোডে থাকে আর যখন কারেন্ট ফ্লো করতে থাকে তখন এটি on হয়ে থাকে। মানে হলো ট্রানজিস্টর অন/অফ করার জন্য ইলেক্ট্রিক কারেন্টের প্রয়োজন হয়। তবে এই ধরণের ট্রানজিস্টরগুলোকে ওই লজিক গেটের সাহায্যে আলাদা ভাবে মডিফাই করা যায় যাতে এগুলো আউটপুট কানেক্টশনগুলো তাদের ইনপুটের উপর নির্ভর করে থাকে।

এর মাধ্যমে কারেন্ট ফ্লো চলে গেলেও ট্রানজিস্টরগুলো on অবস্থায় থেকে থাকে। এবার প্রতিবার যখন নতুন কারেন্ট ফ্লো আসে তখন ট্রানজিস্টরটি filp আকারে অন/অফ হতে থাকে। মানে অবস্থা ভেদে ট্রানজিস্টরটি একবার অন হবে আরেকবার অফ হবে। এই প্রক্রিয়াকে বলে হয় flip-flop আর এটি একটি ট্রানজিস্টরকে একটি সিম্পল মেমোরিতে রূপান্তর করে ফেলে যেখানে (অফ থাকলে) একটি জিরো এবং (অন থাকলে) একটি ওয়ান সংখ্যাকে স্টোর করে রাখা হয়। কম্পিউটার মেমোরি চিপের বেসিক টেকনোলজি হচ্ছে এই flip-flop ।

ট্রানজিস্টর কে আবিস্কার করেন?

আজকের পোষ্টের একদম শেষে চলে এলাম। আশা করবো ট্রানজিস্টর নিয়ে যাদের আগে ধারণা ছিলো না আমার এই পোষ্টটি পড়ে কিছুটা হলেও এ বিষয়ে ধারণা পেয়েছেন। এবার আসি ট্রানজিস্টর এর আবিস্কার নিয়ে। নিউ জার্সি শহরের Bell Laboratories তে ১৯৪৭ সালে তিনজন ব্রিলিয়ান্ট আমেরিকান পদার্থবিজ্ঞানারী ট্রানজিস্টর আবিস্কার করেন। এরা হচ্ছেন  John Bardeen (1908-1991), Walter Brattain (1902-1987), এবং  William Shockley (1910-1989)।

Shockley এর নেতৃত্বে টিমটি আমেরিকান টেলিফোন সিস্টেমের জন্য নতুন ধরণের একটি এমপ্লিফায়ার নির্মাণের জন্য গবেষণা চালিয়ে যাচ্ছিলেন। কিন্তু তারা একটি এমপ্লিফায়ারের থেকেও অনেক বড় একটি জিনিস আবিস্কার করে ফেলেন। বিশ্বের প্রথম ট্রানজিস্টর ছিলো একটি point-contact transistor যা এই টিম ১৯৪৭ সালের ১৬ ডিসেম্বরে বানিয়েছিলেন। উল্লেখ্য যে তাদের এই চমৎকার অবদানের জন্য তারা ১৯৫৬ সালে ফিজিক্সে নোবেল প্রাইজ পান।

Image: Shutterstock