ترانزيستور شصت ساله شد

قانون تجربي فراموش شدن چيزهاي به شدت آشكار همچنان پا برجا است. اين روزها از راديو، تلفن، تلويزيون، كامپيوتر و بسياري از ادوات الكترونيكي ديگر استفاده مي‌كنيم در حالي كه معمولا‌ً فراموش مي‌كنيم هر يك از اين انقلا‌ب‌هاي فني به لطف اختراع وسيله كوچكي به نام ترانزيستور محقق شده‌است.

شانزدهم دسامبر سال 2007 ( 25 آذر) شصتمين سالگرد اختراع ترانزيستور بود. در سال 1947 سه تن از پژوهشگران آزمايشگاه‌هاي بل، ويليام شاكلي (1981-1910)، جان باردين (1991-1908) و والتر براتين (1987-1902) آنچه را كه امروز به نام ترانزيستور مي‌شناسيم، اختراع كردند.

البته فراهم كردن زمينه‌هاي فني اختراع ترانزيستورها به حدود دو دهه پيش از اين تاريخ بازمي‌گردد. با اين حال با توجه به اين كه نام ترانزيستور (تركيبي از واژه‌هاي Transconductance يا Transfer و Varistor) را يكي از كارمندان آزمايشگاه‌هاي بل بر اساس طرح سه پژوهشگر مذكور انتخاب كرد، اختراع آن را به اين سه تن نسبت مي‌دهند.

در واقع آغاز فعاليت براي ساخت آنچه امروز ترانزيستور مي‌ناميم، از دهه 1930 آغاز شد. در آن زمان ژوليوس ادگار ليلين‌فلد (1963-1881) فيزيكدان آلماني سه اختراع را در ايالا‌ت متحده به ثبت رساند. اين اختراعات در مورد اصول عملكرد ترانزيستورهاي موسوم به اثر ميداني (Field-Effect) بود. تقريباً در همان زمان فيزيكدان آلماني ديگري به نام اسكار هيل (1994-1908) اختراع مشابهي را در زمينه اثر ميداني ثبت كرد كه اين موارد بعدها پايه و اساس اختراع ترانزيستور شدند.

با اين همه فعاليت اصلي در زمينه طراحي ترانزيستورها پس از پايان جنگ جهاني دوم و به وسيله باردين، براتين و شاكلي صورت گرفت. در ابتدا شاكلي طرحي براي ساخت ترانزيستورهاي اثر ميداني (FET) پيشنهاد داد كه از قطعات نازك نيمه‌رسانا، شامل سيليكون كه به صورت لا‌يه‌اي به هم متصل شده بودند، تشكيل مي‌شد.

اما در عمل دستگاه مبتني بر طرح او طبق محاسبات انجام شده كار نمي‌كرد. به اين ترتيب باردين و براتين سرگرم بررسي طرح ساده‌تري شدند. حاصل تلا‌ش اين دو منجر به ساخت گونه‌اي از ترانزيستورها موسوم به ترانزيستور تماس نقطه‌اي يا Point contact شد. اين ترانزيستورها با در كنار هم قرار گرفتن دو اتصال پوشيده از طلا‌و يك قطعه ژرمانيوم، كه خود روي پايه‌اي فلزي قرار داشت، ساخته مي‌شد.

نتيجه كار اين بار رضايت‌بخش بود و در عمل ترانزيستور ساخته شده به درستي كار مي‌كرد. باردين و براتين حتي توانستند با استفاده از مداري كه مي‌توانست سيگنال‌هاي صوتي را تقويت كند، دستگاه خود را توسعه دهند. مدت كوتاهي پس از اين اتفاق نام ترانزيستور براي اين اختراع برگزيده شد و نهايتاً در يكم جولا‌ي 1948 آزمايشگاه‌هاي بل اين ترانزيستور را معرفي و توليد محدود آن را آغاز كرد.

در همين اثنا شاكلي طرح جايگزين ديگري را براي طراحي ترانزيستورها آماده كرده بود كه ترانزيستورهاي دوقطبي پيوندي (Bipolar Junction) ناميده مي‌شوند.

او اختراع خود را در ژانويه 1948ساخته و مورد آزمايش قرار داده بود كه نتيجه كار موفقيت‌آميز از آب درآمد.

مزيت اختراع شاكلي طراحي كم‌حجم‌تر و نيز توليد ساده‌تر در مقايسه با ترانزيستورهاي حجيم‌تر Point Contact بود. به همين دليل طرح وي اساس كار توليد ترانزيستورهاي تجاري در سال‌هاي بعد قرار گرفت.

بل در سال 1952 توانست ترانزيستورهاي دوقطبي پيوندي را به توليد انبوه برساند و پس از آن مجوز استفاده از آن را به ديگر شركت‌ها نيز اعطا كرد. دو سال بعد بل به منظور بهبود عملكرد اين ترانزيستورها سيليكون را جايگزين ژرمانيوم كرد.

استفاده از اين نوع ترانزيستورها تا زمان عموميت يافتن نيمه‌رساناهاي CMOS در اواخر دهه 1960 ادامه داشت (نيمه‌رساناهاي اكسيد فلز يا MOS را جان آتالا‌و دان كانگ در سال 1959 اختراع كردند).

با اين همه در سال‌هاي نخست توليد انبوه ترانزيستورها، از آن‌ها بيشتر به منظور تقويت سيگنال‌هاي آنالوگ استفاده مي‌شد. در واقع پيش از آن كه دو دانشمند ديگر يعني جك كيلبي (2005-1923) و رابرت نُويس (1990-1927) در سال 1958 ترانزيستورها را در تراشه‌هاي مبتني بر مدارهاي مجتمع تعبيه كنند، ارزش اين اختراع به‌عنوان يك سوييچ جريان، آن‌چنان كه بايد درك نشد.

تركيب ترانزيستورها منجر به ايجاد يك گيت منطقي مي‌شود و همين موضوع امكان ساخت مدارهاي ديجيتال مدرن را فراهم مي‌كند. در حقيقت از كنار هم قرار گرفتن همين گيت‌ها روي يك مدار مجتمع عناصر اوليه مورد نياز براي ساخت يك پردازشگر فراهم مي‌شود. آي‌بي‌ام يكي از نخستين شركت‌هايي بود كه در سال 1956 به ساخت چنين پردازنده‌هايي دست زد. پردازنده 2400 ترانزيستوري 4004 شركت اينتل نيز يكي از نمونه‌هاي اوليه مشهور از پردازنده‌هاي ترانزيستوري است.

در سال 1956 شاكلي، باردين و براتين، به پاس تحقيقات خود در زمينه نيمه‌هادي‌ها و اختراع ترانزيستور جايزه نوبل فيزيك را از آن خود كردند. اعطاي اين جايزه تقريباً دو سال پس از عرضه نخستين راديوي ترانزيستوري دنيا صورت گرفت.

روند توليد و پيشرفت تراشه‌هاي ترانزيستوري به مدد تحولا‌ت فني و بهبودهاي متمادي همچنان ادامه دارد. تراشه‌هاي ترانزيستوري امروز به تبعيت از قانون مشهور مور، هر روز فشرده‌تر و پيچيده‌تر مي‌شوند، تا جايي كه پردازنده‌هاي پيشرفته امروزي گاه داراي بيش از يك ميليارد ترانزيستور هستند.

بي‌ترديد صنعت الكترونيك و فناوري اطلا‌عات مديون تلا‌ش‌هاي اين سه محقق برجسته و ديگر پيشگامان طراحي ترانزيستورها است. بيل گيتس در مورد اهميت اختراع ترانزيستورها مي‌گويد: «يقين دارم بدون اختراع ترانزيستور، كامپيوترهاي شخصي به شكلي كه امروزه آن‌ها را مي‌شناسيم، وجود نداشتند.»