ترانزیستور

ترانزیستور: از خودخواهی تا تحول جهانی

ترانزیستور نیمه‌رسانا دستگاهی است که برای تقویت یا تعویض سیگنال‌های الکترونیکی و نیروی برق استفاده می‌شود، و از ماده‌ای نیمه‌ رسانا عمدتاً با حداقل ۳ انتها برای اتصال به مدار خارجی تشکیل شده است. ولتاژ یا جریان اعمالی به یک زوج از انتهاهای ترانزیستور، قابلیت کنترل جریان عبوری از زوج دیگری از انتهاها را دارد. با توجه به اینکه نیروی کنترل‌شده (خروجی) می‌تواند از نیروی کنترل‌کننده (ورودی) بیشتر باشد، ترانزیستور قابلیت تقویت سیگنال را دارد. امروزه بعضی از ترانزیستورها در بسته‌بندی‌های تکی وجود دارند اما بخش عمده‌ی آن‌ها به صورت جاسازی‌شده در مدارهای هدف به فروش می‌رسند.

ترانزیستور ازجمله حیاتی‌ترین ابزارهای ساخت در دنیای الکترونیک مدرن است و حضور آن در سیستم‌های الکترونیکی مدرن، اجتناب ناپذیر است. کشف این دستگاه احتمالاً از مهم‌ترین نوآوری‌های قرن بیستم بوده و داستان پشت پرده‌ی آن حکایت از خودخواهی افراد و تحقیقاتی سری دارد.

لابراتوارهای بل، یکی از بزرگترین مجموعه لابراتوارهای صنعتی جهان، شاخه‌ی تحقیقات کمپانی بزرگ American Telephone and Telegraph  یا (AT&T) بود. در سال ۱۹۴۵، این مجموعه لابراتوارها شروع به جستجو برای راه حل مشکلی درازمدت کردند.

سال ۱۹۰۷-  ایجاد مسٔله

شرکت AT&T ،رئیس قبلیش Theodore Vail را پس از بازنشستگی دوباره به شرکت بازگرداند تا در جدال با رقابت به وجودآمده در نتیجه‌ی حق انحصار ثبت اختراع تلفن برای گراهام بل به شرکت کمک کند. راهکار پیشنهادی ویل نیز چیزی جز سرویس تلفن بین قاره‌ای نبود.

در سال ۱۹۰۶، Lee De Forest، مخترع آمریکایی تریودی درون لوله‌ی خلآ ساخت. این وسیله قابلیت تقویت سیگنال‌ها را داشت؛ که با دید امیدوارانه شامل سیگنال‌های تلفن خطوط تلفن هنگام انتقال بین سویچ باکس‌ها نیز می‌شد. شرکت AT&T حق انحصار اختراع این دانشمند را خریده و آن را به طور عمده‌ای گسترش داد که امکان تقویت منظم سیگنال‌ها را درطول مسیر فراهم کرد. چنین کشفی به معنی امکان‌پذیر شدن مکالمات تلفنی، بدون توجه به فاصله‌‌ی موجود، درصورت وجود تقویت‌کننده‌ها در طول مسیر بود.


مقاله مرتبط: محلول کلوئیدی طلا و فارادی، چهره برتر نانوتکنولوژی


اما لوله‌های خلآ ای که برای اولین بار تقویت سیگنال را امکان‌پذیر کرده بودند، با توجه به مصرف انرژی زیاد و تولید گرمای بیش از حد، چندان قابل اعتماد نبودند. حدود سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۰، مدیر تحقیقات لابراتوارهای بل، Mervin Kelly، به این نتیجه رسید که برای رشد تجارت تلفن، نیاز به وجود دستگاه‌ بهتری به عنوان جایگزین است و با خود فکر کرد که شاید پاسخ این معما در دسته‌ی عجیبی از مواد به نام نیمه‌رساناها نهفته باشد.

سال ۱۹۴۵- حل مسٔله

پس از پایان جنگ جهانی دوم، Kelly تیمی از دانشمندان را درجهت ساخت و توسعه‌ی یک سویچ نیمه رسانای حالت جامد برای جایگزینی با لوله‌ی خلآ مشکل‌ساز گرد هم آورد و دانشمند تئوریست جوانی به نام Bill Shockley نیز به عنوان رهبر تیم انتخاب شد. شاکلی همچنین فیزیکدانی تجربی به نام Walter Brattain که قابلیت ساخت یا تعمیر تقریباً همه چیز را داشت، و نیز فیزیکدانی نظری به نام John Bardeen را برای حضور در تیم انتخاب کرد؛ و نهایتاً با اضافه‌شدن ترکیبی انتخابی از فیزیکدان‌ها، شیمی‌دان‌ها و مهندسان، ترکیب تیم تکمیل شد. تیمی متنوع و در عین حال به‌هم پیوسته. در این بین ساخت رادار در جنگ جهانی دوم، پیشرفت قابل توجهی در تحقیقات مواد نیمه‌رسانا ایجاد کرده بود که گروه می‌توانستند از آن بهره بگیرند.

ترانزیستور
به ترتیب از راست به چپ: باردین، براتین، شاکلی

در بهار سال ۱۹۴۵، شاکلی با تکیه بر «اثر میدانی» دستگاهی را طراحی کرد که امید داشت اولین تقویت‌ککننده‌ی نیمه‌رسانا باشد. دستگاه او استوانه‌ای کوچک بود که با لایه‌ی نازکی از سیلیکون پوشیده شده و در نزدیکی یک صفحه‌ی کوچک فلزی نصب شده بود. اما این دستگاه که از نظر سایرین، ایده‌ی بسیار مضحکی بود، عملکردی نشان نداد. لذا شاکلی، مسٔولیت این کار را به باردین و براتین محول کرد تا راه چاره‌ای بیابند، اما از آنجایی که خود به تنهایی در منزل برروی ایده‌اش کار می‌کرد، نظارتی برروی این تیم دو نفره نداشت.

در این میان، باردین و براتین همکاران بسیار خوبی برای یکدیگر شدند. باردین که یک تئوریست بود، آزمایشات را طراحی و نتایج آن‌ها را تفسیر می‌کرد. براتین نیز به ساخت و انجام آزمایشات می‌پرداخت. تا اینکه در پاییز سال ۱۹۴۷، براتین تصمیم به غوطه‌ورکردن کل دستگاه طراحی شده درون یک لوله‌ی آب کرد که به طور شگفت‌آوری به کسب عملکرد در دستگاه انجامید. البته تنها به مقدار کمی.


مقاله مرتبط: شمشیر دمشقی: نانولوله کربنی در قرون وسطی


براتین با این فکر که لایه‌ی مایع باعث کاهش سرعت دستگاه می‌شود، آزمایش را با استفاده از طلا برروی ژرمانیوم و حذف لایه‌ی مایع تکرار کرد. دستگاه دوباره عملکرد خود را از دست داد، اما این تیم دو نفره این طراحی را به عنوان نقطه‌ی آغاز کار خود قرار داده و آزمایشات را از سر گرفتند.

تنها کمی قبل از کریسمس، باردین کشفی تاریخی انجام داد. در حالی که همه معتقد به رفتار الکترون‌ها به شکل کریستالی بودند، باردین کشف کرد که این نظر اشتباه است؛ و درواقع الکترون‌ها مانعی را در سطح تشکیل می‌دهند. این پیشرفت غیرمنتظره دقیقاً همان چیزی بود که آن‌ها به آن نیاز داشتند. باردین و براتین بدون اطلاع‌دادن به شاکلی درمورد تغییرات اعمالی در مطالعاتشان، کار خود را ادامه دادند و در ۱۶ دسامبر سال ۱۹۴۷، موفق به ساخت اولین ترانزیستور حالت جامد به نام ترانزیستور تماس نقطه‌ای با استفاده از نوارهای فویلی طلا برروی یک مثلث پلاستیکی در تماس با ورقه‌ای از ژرمانیوم، شدند.

ترانزیستور
ترانزیستور تماس نقطه‌ای ساخته‌شده توسط باردین و براتین

هنگامی که باردین و براتین، شاکلی را از کشف خود باخبر کردند، او در عین خوشحالی از نتایج گروه، از اینکه به طور مستقیم در جریان کارها نبود، خشمگین بود. شاکلی در نهایت تصمیم به ادامه‌ی فعالیت‌های تکی خود گرفت. او حالا باید به عملکردی بهتر از نتیجه‌ی کار باردین و براتین دست می‌یافت.

دستگاهی که او ساخت، به نام ترانزیستور پیوندی (ساندویچی)، حاصل انفجاری از خلاقیت و خشم بود. ساخت این ترانزیستور نتیجه‌ی ۴ هفته تمام کار طراحی و محاسبات بر روی کاغذ بود. با این وجود، ساخت یک نمونه‌ی واقعی از آن، ۲ سال زمان برد. ترانزیستور پیوندی، در مقایسه با ترانزیستور تماس نقطه‌ای، قدرت و عملکرد بهتری داشت و ساخت آن نیز آسان‌تر بود و به زودی به محصول اصلی در صنعت الکترونیک زمان خود تبدیل شد.

ترانزیستور
اولین ترانزیستور پیوندی ساخته‌شده توسط شاکلی

در نتیجه‌ی این کار، باردین و براتین کنار گذاشته شدند و این کار باعث ازهم پاشیده‌شدن تیم و تبدیل محیط تعوانی آن، به محیطی به شدت رقابتی شد. مشکلاتی از قبیل اینکه اسم چه کسانی باید در حق انحصار اختراع ذکر شود، یا چه افرادی باید در عکس‌های تبلیغاتی اختراعات حضور داشته باشند، فشارها را دو چندان کرد.

آزمایشگاه‌های بل تصمیم در آشکارسازی از اختراع  خود در تاریخ ۳۰ ژوئن ۱۹۴۸ داشت. سرانجام با کمک مهندسی به نام John Pierce که در تایم‌های آزاد خود به نوشتن رمان‌های علمی- تخیلی مشغول بود، نام «transistor» برای این دستگاه انتخاب شد که ترکیبی از ایده‌های «trans-resistance» و نام دستگاه‌های دیگر مانند «thermistor» بود.

پس از ارائه‌ی اختراع، تنها افراد کمی چه در صنعت و چه مطبوعات به آن علاقه نشان دادند، اما شاکلی پتانسیل عظیم آن را دید. او آزمایشگاه‌های بل را به قصد تآسیس شرکت Shockley Semiconductor در Palo Alto کالیفرنیا ترک کرد. او مهندسان و فیزیکدانانی بسیار متبحر را استخدام کرد؛ اما ویژگی‌های اخلاقی او باعث استعفا و خیانت هشت نفر از بهترین‌ آن‌ها شد. این ترکیب هشت نفره نهایتاً کمپانی جدیدی به نام Fairchild Semiconductor را تآسیس کردند. دو نفر از آن‌ها نیز به نام‌های Bob Noyce و Gordon Moore به کمک هم شرکت Intel را پایه‌گذاری کرده و به کمک شرکت Texas Instruments اقدام به تولید مدارهای مجتمع نمودند.  امروزه شرکت اینتل، روزانه بیلیون‌ها ترانزیستور را بر روی مدارهای مجتمعش تولید می‌کند درحالی که باردین، براتین، و شاکلی، تنها مبلغ کمی درقبال تحقیقات خود به دست آوردند. با این وجود، کمپانی شاکلی آغازی برای شکل‌گیری Silicon Valley، خانه‌ی بسیاری از استارت‌آپ‌ها و کمپانی‌های جهانی تکنولوژی، بود.


مقاله مرتبط: مینای زرین فام: کیمیاگری به سبک نانوتکنولوژی


باردین آزمایشگاه‌های بل را به مقصد دانشگاه ایلینویز، جایی که در آن دومین جایزه نوبل خود را دریافت کرد، ترک نمود. براتین پس از گذشت سالیان متمادی، شهر را با هدف تدریس ترک کرد. کمپانی شاکلی شکست خورد و او پس از مدتی تدریس در دانشگاه استانفورد، خود را درگیر جنجالی رسوایی‌آمیز درمورد نژاد، ژنتیک و هوش کرد که نهایتاً شهرتش را از بین برد.

در سال‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۰، توجه عمده کمپانی‌های آمریکایی به بازار نظامی برای تولید محصولات ترانزیستوری  جلب شد. این کار عرصه را برای حضور مهندسان ژاپنی از جمله Masaru Ibuka و Akio Morita فراهم کرد. این دو نفر به کمک هم کمپانی Sony Electronics را بنا نهاندند که به تولید انبوه رادیوهای ترانزیستوری کوچک می‌پرداخت. آزمایشگاه‌های بل نیز بخشی از موفقیت خود را مدیون توانایی تولید انبوه ترانزیستورها هستند.

رادیو ترانزیستوری با گشودن عصری جدید از اطلاعات، جهان را دگرگون ساخت. پس از این دوره، اطلاعات بسیار سریعتر از گذشته در سراسر زمین گسترده می‌شد به گونه‌ای که افراد در قاره‌های دور به آسانی از یکدیگر باخبر می‌شدند.

باردین، براتین، و شاکلی بارها پس از جدایی با یکدیگر روبرو شدند: اولین بار، در شهر استاکهلم سوئد برای دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۵۶ به پاس تلاش‌هایشان در زمینه‌ی فیزیک، و بار دیگر به سال ۱۹۷۲ در آزمایشگاه‌های بل برای شرکت در جشن سالگرد ۲۵ سالگی اختراعشان. آن‌ها چیزی را جشن‌ می‌گرفتند که هنگام شروع کار هرگز فکر نمی‌کردند روزی جهان را تغییر دهد.