Tranzistorius ir šiuolaikinė visuomenė
Tranzistorius – ypatingai svarbus puslaidininkinis prietaisas. Bendrąja prasme jis priklauso taip vadinamiems netiesiniams elektriniams elementams. Prisiminkime mokykloje studijuota Omo dėsnį: jei turime paprastą metalinį laidininką, tai juo tekanti srovė proporcinga įtampai. Tad metalinis laidininkas – tiesinis elektrinis elementas. Vienas paprastesnių netiesinių elementų pavyzdžių yra diodas: jis praleidžia srovę į vieną, bet ne į kitą pusę. Kaip koks atsitiktinai sutiktas pašnekovas, kuris tik šneka, bet neklauso, t. y. informaciją praleidžia tik į vieną pusę.
Tranzistorius – dar sudėtingesnis prietaisas, nei diodas. Jis dažniausiai turi tris kontaktus. Per du pagrindinius kontaktus tekančią santykinai didelę srovę tranzistoriuje galima kontroliuoti visiškai nedidele trečiojo kontakto įtampa arba srove. Čia iškart matome pagrindinę tranzistoriaus savybę – signalų stiprinimą, taip vadinamą „tranzistoriaus efektą“. Tranzistorius taip pat gali būti naudojamas kaip elektronų signalų jungiklis, nelyginant šviesos jungiklis mūsų namuose.
Tranzistorius ir diodus sujungtus į specialiai suprojektuotą elektrinę grandinę galima pagaminti loginį elementą, kuris vykdo elementarius loginės algebros (taip vadinamos Būlio algebros) veiksmus. Pamenate mokyklinį informatikos kursą? 0 IR 1 = 0. 0 ARBA 1 = 1. Ir t. t. Kompiuterio ekrane, knygoje ar popieriaus lape „IR“, „ARBA“ - tai žodžiai, bet realybėje – tai iš tranzistorių ir diodų padarytos grandinės. Be loginių elementų nebūtų ir šiuolaikinių kompiuterių procesorių. Šiuolaikiniai „Intel“ procesoriai turi apie vieną milijardą tranzistorių – jūsų kompiuteryje tranzistorių yra beveik tiek taip, kiek Žemėje žmonių!
Tranzistoriai yra visur: telefonuose, kompiuteriuose, televizoriuose, automobiliuose, kosminiuose laivuose, aukštos įtampos stotyse – iš esmės visuose bent kiek intelektualiuose produktuose. Galima drąsiai teigti, jog tranzistorius – svarbiausias šiuolaikinės elektronikos elementas. Jei ne tranzistorius, šiuolaikinė visuomenė būtų visiškai kitokia. Sunkiau rasti elektrinį prietaisą, kuriame nebūtų tranzistorių, nei tokį, kuriame jie yra. Todėl tranzistoriaus sukūrimas – vienas iš svarbiausių XX a. žmonijos technikos pasiekimų.
Tranzistoriaus sukūrimas ir Nobelio fizikos premija
Elektroniniai prietaisai, kurių pagalba buvo galima stiprinti elektrinius signalus – taip vadinamieji vakuuminiai vamzdžiai - buvo žinomi nuo XX amžiaus pradžios. Prie jų sukūrimo prisidėjo ir žymusis amerikiečių išradėjas Thomas Edisonas. Vakuuminio vamzdžio sukūrimas buvo labai svarbus žingsnis šiuolaikinės elektronikos istorijoje. Vienas iš pačių pirmųjų kompiuterių, žymusis ENIAC, turėjo logines grandines, sudarytas iš vakuuminių vamzdžių.
Tačiau vakuuminis vamzdis – gana masyvus prietaisas. ENIAC naudojo 17.468 vakuuminius vamzdžius, užėmė didelį kambarį, o šio kompiuterio vartojamos energijos galia buvo 150 kW (jei tokį kompiuterį turėtume savo namuose, už mėnesį šiuolaikinėms kainomis paklotume apie 50.000 litų vien elektrai, nors šaltą lietuvišką žiemą toks kompiuteris maloniai šildytų namus). Buvo akivaizdu, kad ateitis priklausė prietaisams, pagamintiems iš kietųjų medžiagų, o būtent puslaidininkių.
Tad jau nuo XX a. trečiojo dešimtmečio pasaulio mokslininkai bandė sukurti kietakūnius vakuuminio vamzdžio analogus, kurie potencialiai galėtų būti gerokai kompaktiškesni. Austrijos fizikas Julius Edgaras Lilienfeldas jau 1925-aisiais Kanadoje padavė paraišką užpatentuoti taip vadinamą lauko tranzistorių, kuris būtų buvęs pirmasis kietakūnis tranzistorius. Deja, šis mokslininkas nepateikė jokių eksperimentinių įrodymų, kad jo pasiūlytas prietaisas buvo išties sukurtas. 1934-aisias paraišką panašaus prietaiso patentui padavė ir vokiečių fizikas Oskaras Heilas. Tai rodo viena – tokio prietaiso sukūrimas buvo daugelio fizikų planuose. Deja, puslaidininkinės medžiagos dar nebuvo pasiekusios tinkamos kokybės.
Kaip ir daugeliu kitų atvejų, labai didelę įtaką technologijų sukūrimui turėjo II pasaulinis karas. Jo metu JAV vyriausybė skyrė daug lėšų išgauti labai gryniems germanio, vienos iš puslaidininkinių medžiagų, kristalams. Germanis buvo naudojamas kariniuose radaruose.
Karui pasibaigus „AT&T Bell“ laboratorijos (sutrumpintai – „Bell Labs“ – taip šią laboratoriją vadina daugelis mokslininkų) mokslininkai Johnas Bardeenas ir Walteris Brattainas sėkmingai pagamino germanio diodą, o jų tolesnis tikslas buvo vakuuminio vamzdžio – triodo – puslaidininkinio analogo sukūrimas. Prie jų prisijungė ir Williamas Shockley, vienas pirmaujančių puslaidininkių fizikos specialistų, kuris puoselėjo labai panašius planus. Idėja buvo gana paprasta – reikia modifikuoti puslaidininkinį diodą taip, jog trečiasis elektrodas galėtų kontroliuoti srovę, tekančią per pirmuosius du elektrodus. Tikrovėje tai padaryti sekėsi gerokai sunkiau. Reikėjo detaliai suprasti medžiagos savybes, paviršinius reiškinius, krūvininkų pernašą ir kita.
Po ilgus mėnesius trukusių eksperimentų, keisčiausių rezultatų, dažnai nevaisingų bandymų kai kuriuos rezultatus atkartoti, ir – svarbiausia – įvairių techninių aspektų tobulinimo, galiausiai šis projektas baigėsi sėkme. 1947-ųjų gruodžio mėnesį „Bell Labs“ vadovybei buvo pademonstruotas pirmasis veikiantis kietakūnis tranzistorius. O visa kita – kaip kad internetas, kuriame skaitote šį straipsnį – yra jau istorija.
Po devynerių metų, 1956-aisiais, Nobelio fizikos premijos buvo įteikta J. Bardeenui, W. Brattainui ir W. Shockley „už jų tyrimus puslaidininkių fizikos srityje ir už tranzistoriaus efekto atradimą“. Legendomis jau apipinta net ir ši formuluotė. Iš tiesų šie mokslininkai ne atrado transtorinį efektą, nes prieš juos toks efektas kietuosiuose kūnuose neegzistavo, bet sukūrė pirmąjį tranzistorių. Bet ši keista formuluotė tik pabrėžia, kad fizika yra mokslas, pilnas paradoksų.
Šioji Nobelio premija yra pirmoji, kurioje minimas žodis „puslaidininkis“. Už svarbius darbus puslaidininkių fizikoje Nobelio buvo įteikta 1973-aisias, 2000-aisias ir 2009-aiais. Akivaizdu, kad Nobelio komitetas pradėjo daugiau dėmesio skirti kietojo kūno fizikai tik XX a. antroje pusėje. Beveik visi kietojo kūno fizikos pionieriai – P. Drude'as, A. Sommerfeldas, L. Brillouinas nebuvo įvertinti šia premija, o F. Blochas gavo premiją ne už darbus kietojo kūno kūno fizikoje, o už magnetinių reiškinių aprašymą. Iš kietojo kūno pionierių Nobelio komitetas nepamiršo tik Maxo von Laue (1914-ųjų premija už Rentgeno spindulių difrakciją kristaluose), ir W. H. Braggo bei W. L. Braggo (1915-ųjų premija už kristalinės struktūros tyrimus Rentgeno spinduliais).
