Άλλα άρθρα της σειράς:
- Η ιστορία του ρελέ
- Ιστορία των ηλεκτρονικών υπολογιστών
- Η ιστορία του τρανζίστορ
- Ιστορία του Διαδικτύου
Για πάνω από εκατό χρόνια, ο αναλογικός σκύλος κουνάει την ψηφιακή του ουρά. Οι προσπάθειες να επεκτείνουμε τις δυνατότητες των αισθήσεών μας - όραση, ακοή, ακόμη και, κατά μία έννοια, αφή - οδήγησαν μηχανικούς και επιστήμονες να αναζητήσουν καλύτερα εξαρτήματα για τηλέγραφους, τηλέφωνα, ραδιόφωνα και ραντάρ. Μόνο από καθαρή τύχη αυτή η αναζήτηση ανακάλυψε τον δρόμο για τη δημιουργία νέων τύπων ψηφιακών μηχανών. Και αποφάσισα να πω την ιστορία αυτής της σταθεράς , κατά την οποία οι μηχανικοί τηλεπικοινωνιών προμήθευαν τις πρώτες ύλες για τους πρώτους ψηφιακούς υπολογιστές και μερικές φορές σχεδίασαν και κατασκεύασαν τους ίδιους τους υπολογιστές.
Αλλά μέχρι τη δεκαετία του 1960, αυτή η γόνιμη συνεργασία έφτασε στο τέλος της και μαζί της η ιστορία μου. Οι κατασκευαστές ψηφιακού εξοπλισμού δεν χρειαζόταν πλέον να αναζητούν νέους, βελτιωμένους διακόπτες στον κόσμο του τηλεγράφου, του τηλεφώνου και του ραδιοφώνου, καθώς το ίδιο το τρανζίστορ παρείχε μια ανεξάντλητη πηγή βελτιώσεων. Χρόνο με το χρόνο έσκαβαν όλο και πιο βαθιά, βρίσκοντας πάντα τρόπους να αυξάνουν εκθετικά την ταχύτητα και να μειώνουν το κόστος.
Ωστόσο, τίποτα από αυτά δεν θα είχε συμβεί εάν η εφεύρεση του τρανζίστορ είχε σταματήσει στο .
αργή εκκίνηση
Υπήρχε λίγος ενθουσιασμός στον δημοφιλή Τύπο για την ανακοίνωση της Bell Labs για την εφεύρεση του τρανζίστορ. Την 1η Ιουλίου 1948, οι New York Times αφιέρωσαν τρεις παραγράφους στο γεγονός στο κάτω μέρος της αναφοράς του Radio News. Επιπλέον, αυτές οι ειδήσεις εμφανίστηκαν μετά από άλλες, που προφανώς θεωρούνται πιο σημαντικές: για παράδειγμα, η ωριαία ραδιοφωνική εκπομπή "Waltz Time", η οποία υποτίθεται ότι θα εμφανιζόταν στο NBC. Εκ των υστέρων, μπορεί να θέλουμε να γελάσουμε, ή ακόμα και να επιπλήξουμε τους άγνωστους συγγραφείς - πώς δεν κατάφεραν να αναγνωρίσουν το γεγονός που ανέτρεψε τον κόσμο;
Αλλά η εκ των υστέρων παραμόρφωση της αντίληψης, ενισχύοντας σήματα των οποίων η σημασία γνωρίζουμε ότι χάθηκαν σε μια θάλασσα θορύβου εκείνη την εποχή. Το τρανζίστορ του 1948 ήταν πολύ διαφορετικό από τα τρανζίστορ των υπολογιστών στους οποίους διαβάζετε αυτό το άρθρο (εκτός αν αποφασίσατε να το εκτυπώσετε). Διέφεραν τόσο πολύ που, παρά το ίδιο όνομα, και την αδιάσπαστη γραμμή κληρονομικότητας που τους συνδέει, θα έπρεπε να θεωρούνται διαφορετικά είδη, αν όχι διαφορετικά γένη. Έχουν διαφορετικές συνθέσεις, διαφορετικές δομές, διαφορετικές αρχές λειτουργίας, για να μην αναφέρουμε την τεράστια διαφορά στο μέγεθος. Μόνο μέσω της συνεχούς επανεφεύρεσης η αδέξια συσκευή που κατασκεύασαν οι Bardeen και Brattain μπορούσε να μεταμορφώσει τον κόσμο και τις ζωές μας.
Στην πραγματικότητα, το τρανζίστορ γερμανίου ενός σημείου δεν άξιζε περισσότερη προσοχή από αυτή που έλαβε. Είχε πολλά ελαττώματα που κληρονομήθηκαν από τον σωλήνα κενού. Ήταν, φυσικά, πολύ μικρότερο από τους πιο συμπαγείς λαμπτήρες. Η απουσία θερμού νήματος σήμαινε ότι παρήγαγε λιγότερη θερμότητα, κατανάλωνε λιγότερη ενέργεια, δεν καίγονταν και δεν απαιτούσε προθέρμανση πριν από τη χρήση.
Ωστόσο, η συσσώρευση βρωμιάς στην επιφάνεια επαφής οδήγησε σε αστοχίες και μείωσε την πιθανότητα μεγαλύτερης διάρκειας ζωής. Έδινε πιο θορυβώδες σήμα. δούλευε μόνο σε χαμηλές ισχύς και σε στενό εύρος συχνοτήτων. απέτυχε παρουσία ζέστης, κρύου ή υγρασίας. και δεν μπορούσε να παραχθεί ομοιόμορφα. Πολλά τρανζίστορ που δημιουργήθηκαν με τον ίδιο τρόπο από τους ίδιους ανθρώπους θα είχαν τρελά διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Και όλα αυτά είχαν κόστος οκταπλάσιο από αυτό ενός τυπικού λαμπτήρα.
Μόλις το 1952 η Bell Labs (και άλλοι κάτοχοι διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας) είχαν λύσει τα προβλήματα κατασκευής αρκετά ώστε τα τρανζίστορ ενός σημείου να γίνουν πρακτικές συσκευές, και ακόμη και τότε δεν εξαπλώθηκαν πολύ πέρα από την αγορά ακουστικών βαρηκοΐας, όπου η ευαισθησία στην τιμή ήταν σχετικά χαμηλή και τα πλεονεκτήματα όσον αφορά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας αντιστάθμισαν τα μειονεκτήματα.
Ωστόσο, τότε είχαν ήδη αρχίσει οι πρώτες προσπάθειες να μετατραπεί το τρανζίστορ σε κάτι καλύτερο και πιο χρήσιμο. Στην πραγματικότητα ξεκίνησαν πολύ νωρίτερα από τη στιγμή που το κοινό έμαθε την ύπαρξή του.
Οι φιλοδοξίες του Σόκλεϊ
Προς τα τέλη του 1947, ο Bill Shockley έκανε ένα ταξίδι στο Σικάγο με μεγάλο ενθουσιασμό. Είχε ασαφείς ιδέες για το πώς να νικήσει το τρανζίστορ που εφευρέθηκε πρόσφατα από τον Bardeen και τον Brattain, αλλά δεν είχε ακόμη την ευκαιρία να τις αναπτύξει. Έτσι, αντί να απολαύσει ένα διάλειμμα ανάμεσα στα στάδια της δουλειάς, πέρασε τα Χριστούγεννα και την Πρωτοχρονιά στο ξενοδοχείο, γεμίζοντας περίπου 20 σελίδες ενός σημειωματάριου με τις ιδέες του. Μεταξύ αυτών ήταν μια πρόταση για ένα νέο τρανζίστορ που αποτελείται από ένα σάντουιτς ημιαγωγών - μια φέτα γερμανίου τύπου p ανάμεσα σε δύο τεμάχια τύπου n.
Ενθαρρυμένος από αυτόν τον άσο στο μανίκι του, ο Σόκλεϋ διεκδίκησε τον Μπαρντίν και τον Μπράτειν για την επιστροφή τους στο Μάρεϊ Χιλ, διεκδικώντας όλα τα εύσημα για την εφεύρεση του τρανζίστορ. Δεν ήταν η ιδέα του για το φαινόμενο πεδίου που έφερε τον Bardeen και τον Brattain στο εργαστήριο; Δεν θα έπρεπε αυτό να καθιστά αναγκαία τη μεταβίβαση όλων των δικαιωμάτων του διπλώματος ευρεσιτεχνίας σε αυτόν; Ωστόσο, το κόλπο του Σόκλεϊ απέτυχε: οι δικηγόροι ευρεσιτεχνιών της Bell Labs ανακάλυψαν ότι ο άγνωστος εφευρέτης, , κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έναν ενισχυτή φαινομένου πεδίου ημιαγωγών σχεδόν 20 χρόνια νωρίτερα, το 1930. Ο Lilienfeld, φυσικά, δεν εφάρμοσε ποτέ την ιδέα του, δεδομένης της κατάστασης των υλικών εκείνη την εποχή, αλλά ο κίνδυνος επικάλυψης ήταν πολύ μεγάλος - ήταν καλύτερα να αποφευχθεί τελείως η αναφορά το φαινόμενο πεδίου στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
Έτσι, παρόλο που τα Bell Labs έδωσαν στον Shockley ένα γενναιόδωρο μερίδιο της πίστωσης του εφευρέτη, στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας κατονόμασαν μόνο τον Bardeen και τον Brattain. Ωστόσο, αυτό που έχει γίνει δεν μπορεί να αναιρεθεί: οι φιλοδοξίες του Σόκλεϊ κατέστρεψαν τη σχέση του με δύο υφισταμένους. Ο Μπαρντίν σταμάτησε να εργάζεται στο τρανζίστορ και επικεντρώθηκε στην υπεραγωγιμότητα. Έφυγε από τα εργαστήρια το 1951. Ο Brattain παρέμεινε εκεί, αλλά αρνήθηκε να συνεργαστεί ξανά με τον Shockley και επέμεινε να μεταφερθεί σε άλλη ομάδα.
Λόγω της αδυναμίας του να συνεργαστεί με άλλους ανθρώπους, ο Σόκλεϊ δεν έκανε ποτέ καμία πρόοδο στα εργαστήρια, έτσι έφυγε κι αυτός από εκεί. Το 1956, επέστρεψε στην πατρίδα του στο Palo Alto για να δημιουργήσει τη δική του εταιρεία τρανζίστορ, Shockley Semiconductor. Πριν φύγει, χώρισε από τη σύζυγό του Jean ενώ εκείνη ανάρρωνε από τον καρκίνο της μήτρας και ασχολήθηκε με την Emmy Lanning, την οποία και παντρεύτηκε σύντομα. Αλλά από τα δύο μισά του ονείρου του στην Καλιφόρνια - μια νέα εταιρεία και μια νέα σύζυγος - μόνο ένα έγινε πραγματικότητα. Το 1957, οι καλύτεροι μηχανικοί του, εξοργισμένοι από το στυλ διοίκησης και την κατεύθυνση προς την οποία οδηγούσε την εταιρεία, τον άφησαν να ιδρύσει μια νέα εταιρεία, την Fairchild Semiconductor.
Shockley το 1956
Έτσι ο Σόκλεϊ εγκατέλειψε το άδειο κέλυφος της εταιρείας του και έπιασε δουλειά στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών στο Στάνφορντ. Εκεί συνέχισε να αποξενώνει τους συναδέλφους του (και τον παλαιότερο φίλο του, τον φυσικό ) θεωρίες φυλετικού εκφυλισμού που τον ενδιέφεραν και – θέματα που δεν ήταν δημοφιλή στις Ηνωμένες Πολιτείες από το τέλος του τελευταίου πολέμου, ειδικά στους ακαδημαϊκούς κύκλους. Ευχαρίστησε να υποκινεί τη διαμάχη, να μαστιγώνει τα μέσα ενημέρωσης και να προκαλεί διαμαρτυρίες. Πέθανε το 1989, αποξενωμένος από τα παιδιά και τους συναδέλφους του, και τον επισκέφτηκε μόνο η πάντα αφοσιωμένη δεύτερη σύζυγός του, Έμμυ.
Αν και οι αδύναμες προσπάθειές του για επιχειρηματικότητα απέτυχαν, ο Σόκλυ είχε φυτέψει έναν σπόρο σε γόνιμο έδαφος. Η περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο παρήγαγε πολλές μικρές εταιρείες ηλεκτρονικών ειδών, οι οποίες εξαντλήθηκαν με χρηματοδότηση από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση κατά τη διάρκεια του πολέμου. Η Fairchild Semiconductor, ο τυχαίος απόγονος του Shockley, δημιούργησε δεκάδες νέες εταιρείες, μερικές από τις οποίες είναι ακόμα γνωστές σήμερα: Intel και Advanced Micro Devices (AMD). Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, η περιοχή είχε κερδίσει το χλευαστικό ψευδώνυμο "Silicon Valley". Αλλά περιμένετε ένα λεπτό - ο Bardeen και ο Brattain δημιούργησαν το τρανζίστορ γερμανίου. Από πού προήλθε το πυρίτιο;
Έτσι έμοιαζε η εγκαταλελειμμένη τοποθεσία Mountain View που στεγαζόταν στο παρελθόν το Shockley Semiconductor το 2009. Σήμερα το κτίριο έχει κατεδαφιστεί.
Προς το Σταυροδρόμι Πυριτίου
Η μοίρα ενός νέου τύπου τρανζίστορ, που εφευρέθηκε από τον Shockley σε ένα ξενοδοχείο του Σικάγο, ήταν πολύ πιο ευτυχισμένη από αυτή του εφευρέτη του. Όλα είναι χάρη στην επιθυμία ενός ανθρώπου να καλλιεργήσει μεμονωμένους, καθαρούς κρυστάλλους ημιαγωγών. Ο Γκόρντον Τιλ, ένας φυσικοχημικός από το Τέξας που είχε μελετήσει το τότε άχρηστο γερμάνιο για το διδακτορικό του, έπιασε δουλειά στο Bell Labs τη δεκαετία του 30. Έχοντας μάθει για το τρανζίστορ, πείστηκε ότι η αξιοπιστία και η ισχύς του θα μπορούσαν να βελτιωθούν σημαντικά δημιουργώντας το από έναν καθαρό μονοκρύσταλλο και όχι από τα πολυκρυσταλλικά μείγματα που χρησιμοποιήθηκαν τότε. Ο Σόκλεϊ απέρριψε τις προσπάθειές του ως σπατάλη πόρων.
Ωστόσο, ο Teal επέμενε και πέτυχε την επιτυχία, με τη βοήθεια του μηχανολόγου μηχανικού John Little, δημιουργώντας μια συσκευή που εξάγει έναν μικροσκοπικό σπόρο κρυστάλλου από λιωμένο γερμάνιο. Καθώς το γερμάνιο ψύχθηκε γύρω από τον πυρήνα, επέκτεινε την κρυσταλλική του δομή, δημιουργώντας ένα συνεχές και σχεδόν καθαρό ημιαγώγιμο πλέγμα. Μέχρι την άνοιξη του 1949, οι Teal και Little μπορούσαν να δημιουργήσουν κρύσταλλα κατά παραγγελία και οι δοκιμές έδειξαν ότι ήταν πολύ πίσω από τους πολυκρυσταλλικούς ανταγωνιστές τους. Συγκεκριμένα, οι δευτερεύοντες μεταφορείς που προστέθηκαν σε αυτούς θα μπορούσαν να επιβιώσουν στο εσωτερικό τους για εκατό μικροδευτερόλεπτα ή και περισσότερο (έναντι όχι περισσότερο από δέκα μικροδευτερόλεπτα σε άλλα δείγματα κρυστάλλων).
Τώρα ο Teal μπορούσε να αντέξει οικονομικά περισσότερους πόρους και στρατολόγησε περισσότερους ανθρώπους στην ομάδα του, μεταξύ των οποίων ήταν ένας άλλος φυσικοχημικός που ήρθε στο Bell Labs από το Τέξας - Morgan Sparks. Άρχισαν να αλλάζουν το τήγμα για να κάνουν γερμάνιο τύπου p ή τύπου n προσθέτοντας σφαιρίδια κατάλληλων ακαθαρσιών. Μέσα σε ένα χρόνο, είχαν βελτιώσει την τεχνολογία σε τέτοιο βαθμό που μπορούσαν να καλλιεργήσουν ένα σάντουιτς γερμανίου npn απευθείας στο τήγμα. Και λειτούργησε ακριβώς όπως είχε προβλέψει ο Shockley: ένα ηλεκτρικό σήμα από το υλικό τύπου p ρυθμίζει το ηλεκτρικό ρεύμα μεταξύ δύο αγωγών που συνδέονται με τα τεμάχια τύπου n που το περιβάλλουν.
Morgan Sparks και Gordon Teal σε έναν πάγκο εργασίας στα Bell Labs
Αυτό το αναπτυγμένο τρανζίστορ διασταύρωσης ξεπερνά τον πρόγονό του σε ένα σημείο επαφής σχεδόν με κάθε τρόπο. Συγκεκριμένα, ήταν πιο αξιόπιστο και προβλέψιμο, παρήγαγε πολύ λιγότερο θόρυβο (και επομένως ήταν πιο ευαίσθητο) και ήταν εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικό - καταναλώνοντας ένα εκατομμύριο φορές λιγότερη ενέργεια από έναν τυπικό σωλήνα κενού. Τον Ιούλιο του 1951, η Bell Labs πραγματοποίησε άλλη μια συνέντευξη Τύπου για να ανακοινώσει τη νέα εφεύρεση. Ακόμη και πριν το πρώτο τρανζίστορ καταφέρει να φτάσει στην αγορά, είχε ήδη γίνει ουσιαστικά άσχετο.
Κι όμως αυτό ήταν μόνο η αρχή. Το 1952, η General Electric (GE) ανακοίνωσε την ανάπτυξη μιας νέας διαδικασίας για την κατασκευή τρανζίστορ διακλάδωσης, τη μέθοδο σύντηξης. Στο πλαίσιο του, δύο μπάλες ινδίου (δότης τύπου p) συγχωνεύτηκαν και στις δύο πλευρές μιας λεπτής φέτας γερμανίου τύπου n. Αυτή η διαδικασία ήταν απλούστερη και φθηνότερη από την ανάπτυξη ενώσεων σε ένα κράμα· ένα τέτοιο τρανζίστορ έδινε λιγότερη αντίσταση και υποστήριζε υψηλότερες συχνότητες.
Αναπτυγμένα και συντηγμένα τρανζίστορ
Το επόμενο έτος, ο Gordon Teal αποφάσισε να επιστρέψει στην πολιτεία του και έπιασε δουλειά στην Texas Instruments (TI) στο Ντάλας. Η εταιρεία ιδρύθηκε ως Geophysical Services, Inc., και αρχικά παρήγαγε εξοπλισμό για εξερεύνηση πετρελαίου, η TI είχε ανοίξει ένα τμήμα ηλεκτρονικών κατά τη διάρκεια του πολέμου και τώρα έμπαινε στην αγορά τρανζίστορ με άδεια από την Western Electric (το τμήμα κατασκευής της Bell Labs).
Ο Teal έφερε μαζί του νέες δεξιότητες που έμαθε στα εργαστήρια: την ικανότητα να μεγαλώνει και μονοκρυστάλλους πυριτίου. Η πιο εμφανής αδυναμία του γερμανίου ήταν η ευαισθησία του στη θερμοκρασία. Όταν εκτίθενται στη θερμότητα, τα άτομα γερμανίου στον κρύσταλλο αποβάλλουν γρήγορα ελεύθερα ηλεκτρόνια και μετατρέπεται όλο και περισσότερο σε αγωγό. Σε θερμοκρασία 77 °C σταμάτησε να λειτουργεί εντελώς σαν τρανζίστορ. Ο κύριος στόχος για τις πωλήσεις τρανζίστορ ήταν ο στρατός - ένας πιθανός καταναλωτής με χαμηλή ευαισθησία στις τιμές και τεράστια ανάγκη για σταθερά, αξιόπιστα και συμπαγή ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Ωστόσο, το ευαίσθητο στη θερμοκρασία γερμάνιο δεν θα ήταν χρήσιμο σε πολλές στρατιωτικές εφαρμογές, ειδικά στον αεροδιαστημικό τομέα.
Το πυρίτιο ήταν πολύ πιο σταθερό, αλλά είχε το κόστος ενός πολύ υψηλότερου σημείου τήξης, συγκρίσιμου με αυτό του χάλυβα. Αυτό προκάλεσε τεράστιες δυσκολίες, δεδομένου ότι απαιτούνταν πολύ καθαροί κρύσταλλοι για τη δημιουργία τρανζίστορ υψηλής ποιότητας. Το ζεστό λιωμένο πυρίτιο θα απορροφούσε τους ρύπους από οποιοδήποτε χωνευτήριο βρισκόταν. Ο Teel και η ομάδα του στο TI κατάφεραν να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας εξαιρετικά καθαρά δείγματα πυριτίου από τη DuPont. Τον Μάιο του 1954, σε ένα συνέδριο του Ινστιτούτου Ραδιομηχανικής στο Dayton του Οχάιο, ο Teal έδειξε ότι οι νέες συσκευές πυριτίου που παράγονται στο εργαστήριό του συνέχισαν να λειτουργούν ακόμη και όταν βυθίζονταν σε καυτό λάδι.
Επιτυχημένες εκκινήσεις
Τελικά, περίπου επτά χρόνια μετά την πρώτη εφεύρεση του τρανζίστορ, θα μπορούσε να κατασκευαστεί από το υλικό με το οποίο είχε γίνει συνώνυμο. Και περίπου ο ίδιος χρόνος θα περάσει μέχρι να εμφανιστούν τρανζίστορ που μοιάζουν κατά προσέγγιση με το σχήμα που χρησιμοποιείται στους μικροεπεξεργαστές και τα τσιπ μνήμης μας.
Το 1955, οι επιστήμονες της Bell Labs έμαθαν με επιτυχία να κατασκευάζουν τρανζίστορ πυριτίου με μια νέα τεχνολογία ντόπινγκ - αντί να προσθέτουν στερεές μπάλες ακαθαρσιών σε ένα υγρό τήγμα, εισήγαγαν αέρια πρόσθετα στη στερεά επιφάνεια του ημιαγωγού (). Ελέγχοντας προσεκτικά τη θερμοκρασία, την πίεση και τη διάρκεια της διαδικασίας, πέτυχαν ακριβώς το απαιτούμενο βάθος και βαθμό ντόπινγκ. Ο μεγαλύτερος έλεγχος στη διαδικασία παραγωγής έχει δώσει μεγαλύτερο έλεγχο στις ηλεκτρικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Το πιο σημαντικό, η θερμική διάχυση κατέστησε δυνατή την παραγωγή του προϊόντος σε παρτίδες - θα μπορούσατε να κολλήσετε μια μεγάλη πλάκα πυριτίου και στη συνέχεια να την κόψετε σε τρανζίστορ. Ο στρατός παρείχε χρηματοδότηση για τα εργαστήρια Bell επειδή η εγκατάσταση παραγωγής απαιτούσε υψηλό αρχικό κόστος. Χρειάζονταν ένα νέο προϊόν για μια σύνδεση ραντάρ έγκαιρης προειδοποίησης εξαιρετικά υψηλής συχνότητας (“"), μια αλυσίδα σταθμών ραντάρ της Αρκτικής που σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύουν σοβιετικά βομβαρδιστικά που πετούσαν από τον Βόρειο Πόλο, και ήταν πρόθυμοι να πληρώσουν 100 $ ανά τρανζίστορ (αυτές ήταν οι μέρες που ένα νέο αυτοκίνητο μπορούσε να αγοραστεί για 2000 $).
Κράμα με , το οποίο έλεγχε τη θέση των ακαθαρσιών, άνοιξε τη δυνατότητα χάραξης ολόκληρου του κυκλώματος εξ ολοκλήρου σε ένα υπόστρωμα ημιαγωγών - αυτό σκέφτηκε ταυτόχρονα η Fairchild Semiconductor και η Texas Instruments το 1959." από τον Fairchild χρησιμοποίησε χημική εναπόθεση μεταλλικών μεμβρανών που συνδέουν τις ηλεκτρικές επαφές του τρανζίστορ. Εξάλειψε την ανάγκη δημιουργίας χειροκίνητης καλωδίωσης, μείωσε το κόστος παραγωγής και αυξήθηκε η αξιοπιστία.
Τελικά, το 1960, δύο μηχανικοί της Bell Labs (John Atalla και Davon Kahn) εφάρμοσαν την αρχική ιδέα του Shockley για ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Ένα λεπτό στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια του ημιαγωγού ήταν σε θέση να καταστείλει αποτελεσματικά τις επιφανειακές καταστάσεις, προκαλώντας το ηλεκτρικό πεδίο από την πύλη αλουμινίου να διεισδύσει στο πυρίτιο. Έτσι γεννήθηκε το MOSFET [τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με ημιαγωγό μετάλλου] (ή δομή MOS, από μεταλλικό οξείδιο-ημιαγωγό), το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν τόσο εύκολο στη μικρογραφία και το οποίο εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε όλους σχεδόν τους σύγχρονους υπολογιστές (είναι ενδιαφέρον Ο Atalla καταγόταν από την Αίγυπτο και ο Kang είναι από τη Νότια Κορέα, και πρακτικά μόνο αυτοί οι δύο μηχανικοί από ολόκληρη την ιστορία μας δεν έχουν ευρωπαϊκές ρίζες).
Τελικά, δεκατρία χρόνια μετά την εφεύρεση του πρώτου τρανζίστορ, εμφανίστηκε κάτι που μοιάζει με το τρανζίστορ στον υπολογιστή σας. Ήταν πιο εύκολο να κατασκευαστεί και χρησιμοποιούσε λιγότερη ισχύ από το τρανζίστορ διακλάδωσης, αλλά ήταν αρκετά αργό να ανταποκριθεί στα σήματα. Μόνο με τον πολλαπλασιασμό των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας, με εκατοντάδες ή χιλιάδες εξαρτήματα τοποθετημένα σε ένα μόνο τσιπ, τα πλεονεκτήματα των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου εμφανίστηκαν στο προσκήνιο.
Απεικόνιση από την πατέντα τρανζίστορ εφέ πεδίου
Το φαινόμενο πεδίου ήταν η τελευταία σημαντική συνεισφορά της Bell Labs στην ανάπτυξη του τρανζίστορ. Μεγάλοι κατασκευαστές ηλεκτρονικών ειδών όπως η Bell Laboratories (με την Western Electric), η General Electric, η Sylvania και η Westinghouse έχουν συγκεντρώσει έναν εντυπωσιακό όγκο έρευνας για ημιαγωγούς. Από το 1952 έως το 1965, μόνο η Bell Laboratories κατοχύρωσε περισσότερα από διακόσια διπλώματα ευρεσιτεχνίας για αυτό το θέμα. Ωστόσο, η εμπορική αγορά έπεσε γρήγορα στα χέρια νέων παικτών όπως η Texas Instruments, η Transitron και η Fairchild.
Η πρώιμη αγορά τρανζίστορ ήταν πολύ μικρή για να προσελκύσει την προσοχή των μεγάλων παικτών: περίπου 18 εκατομμύρια δολάρια ετησίως στα μέσα της δεκαετίας του 1950, σε σύγκριση με μια συνολική αγορά ηλεκτρονικών 2 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Ωστόσο, τα ερευνητικά εργαστήρια αυτών των γιγάντων χρησίμευαν ως ακούσια στρατόπεδα εκπαίδευσης όπου οι νέοι επιστήμονες θα μπορούσαν να απορροφήσουν τη γνώση των ημιαγωγών πριν προχωρήσουν στην πώληση των υπηρεσιών τους σε μικρότερες επιχειρήσεις. Όταν η αγορά ηλεκτρονικών σωλήνων άρχισε να συρρικνώνεται σοβαρά στα μέσα της δεκαετίας του 1960, ήταν πολύ αργά για την Bell Labs, τη Westinghouse και τους υπόλοιπους να ανταγωνιστούν τους πρωτοεμφανιζόμενους.
Η μετάβαση των υπολογιστών στα τρανζίστορ
Στη δεκαετία του 1950, τα τρανζίστορ εισέβαλαν στον κόσμο των ηλεκτρονικών σε τέσσερις βασικούς τομείς. Τα δύο πρώτα ήταν ακουστικά βαρηκοΐας και φορητά ραδιόφωνα, όπου η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και η μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας υπερέβαλαν άλλους παράγοντες. Η τρίτη ήταν στρατιωτική χρήση. Ο στρατός των ΗΠΑ είχε μεγάλες ελπίδες για τρανζίστορ ως αξιόπιστα, συμπαγή εξαρτήματα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε οτιδήποτε, από ραδιόφωνα πεδίου έως βαλλιστικούς πυραύλους. Ωστόσο, τις πρώτες μέρες, οι δαπάνες τους για τρανζίστορ έμοιαζαν περισσότερο με στοίχημα για το μέλλον της τεχνολογίας παρά ως επιβεβαίωση της τότε αξίας τους. Και τέλος, υπήρχε και ψηφιακός υπολογισμός.
Στον τομέα των υπολογιστών, οι ελλείψεις των διακοπτών σωλήνων κενού ήταν γνωστές, με ορισμένους σκεπτικιστές πριν από τον πόλεμο να πίστευαν ακόμη και ότι ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής δεν μπορούσε να γίνει πρακτική συσκευή. Όταν χιλιάδες λαμπτήρες συγκεντρώθηκαν σε μια συσκευή, κατανάλωσαν ηλεκτρισμό, παράγοντας τεράστιες ποσότητες θερμότητας, και όσον αφορά την αξιοπιστία, μπορούσε κανείς να βασιστεί μόνο στην τακτική εξάντλησή τους. Ως εκ τούτου, το τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, δροσερό και χωρίς σπείρωμα έγινε ο σωτήρας των κατασκευαστών υπολογιστών. Τα μειονεκτήματα του ως ενισχυτή (πιο θορυβώδης έξοδος, για παράδειγμα) δεν ήταν τέτοιο πρόβλημα όταν χρησιμοποιείται ως διακόπτης. Το μόνο εμπόδιο ήταν το κόστος και σε εύθετο χρόνο θα άρχιζε να πέφτει απότομα.
Όλα τα πρώιμα αμερικανικά πειράματα με τρανζίστορ υπολογιστές συνέβησαν στο σημείο τομής της επιθυμίας του στρατού να εξερευνήσει τις δυνατότητες μιας πολλά υποσχόμενης νέας τεχνολογίας και της επιθυμίας των μηχανικών να προχωρήσουν σε βελτιωμένους διακόπτες.
Η Bell Labs κατασκεύασε το TRADIC για την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ το 1954 για να δει εάν τα τρανζίστορ θα επέτρεπαν την εγκατάσταση ψηφιακού υπολογιστή σε ένα βομβαρδιστικό, αντικαθιστώντας την αναλογική πλοήγηση και βοηθώντας στην εύρεση στόχων. Το MIT Lincoln Laboratory ανέπτυξε τον υπολογιστή TX-0 ως μέρος ενός εκτεταμένου έργου αεράμυνας το 1956. Το μηχάνημα χρησιμοποίησε μια άλλη παραλλαγή του τρανζίστορ φραγμού επιφάνειας, κατάλληλη για υπολογιστές υψηλής ταχύτητας. Η Philco κατασκεύασε τον υπολογιστή της SOLO βάσει σύμβασης με το Ναυτικό (αλλά στην πραγματικότητα κατόπιν αιτήματος της NSA), ολοκληρώνοντάς τον το 1958 (χρησιμοποιώντας μια άλλη παραλλαγή του τρανζίστορ φραγμού επιφάνειας).
Στη Δυτική Ευρώπη, που ήταν λιγότερο προικισμένη με πόρους κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, η ιστορία ήταν πολύ διαφορετική. Μηχανές όπως ο υπολογιστής τρανζίστορ του Μάντσεστερ, (άλλο όνομα εμπνευσμένο από το έργο ENIAC, και γραμμένο προς τα πίσω), και Αυστριακό ήταν παράπλευρα έργα που χρησιμοποιούσαν τους πόρους που μπορούσαν να συνδυάσουν οι δημιουργοί τους—συμπεριλαμβανομένων των τρανζίστορ ενός σημείου πρώτης γενιάς.
Υπάρχει μεγάλη διαμάχη σχετικά με τον τίτλο του πρώτου υπολογιστή που χρησιμοποίησε τρανζίστορ. Όλα εξαρτώνται, φυσικά, στην επιλογή των σωστών ορισμών για λέξεις όπως «πρώτος», «τρανζίστορ» και «υπολογιστής». Σε κάθε περίπτωση, ξέρουμε πού τελειώνει η ιστορία. Η εμπορευματοποίηση των υπολογιστών με τρανζίστορ ξεκίνησε σχεδόν αμέσως. Χρόνο με το χρόνο, οι υπολογιστές για την ίδια τιμή γίνονταν όλο και πιο ισχυροί, και οι υπολογιστές ίδιας ισχύος γίνονταν φθηνότεροι, και αυτή η διαδικασία φαινόταν τόσο αδυσώπητη που ανυψώθηκε στο βαθμό του νόμου, δίπλα στη βαρύτητα και τη διατήρηση της ενέργειας. Χρειάζεται να διαφωνήσουμε για το ποιο βότσαλο κατέρρευσε πρώτο;
Από πού προέρχεται ο νόμος του Μουρ;
Καθώς πλησιάζουμε στο τέλος της ιστορίας του διακόπτη, αξίζει να ρωτήσουμε: τι προκάλεσε αυτή την κατάρρευση; Γιατί υπάρχει ο νόμος του Μουρ (ή υπήρχε - θα το μαλώσουμε άλλη φορά); Δεν υπάρχει νόμος του Μουρ για τα αεροπλάνα ή τις ηλεκτρικές σκούπες, όπως δεν υπάρχει κανένας για τους σωλήνες κενού ή τα ρελέ.
Η απάντηση έχει δύο μέρη:
- Λογικές ιδιότητες ενός διακόπτη ως κατηγορία τεχνουργημάτων.
- Η ικανότητα χρήσης καθαρά χημικών διεργασιών για την κατασκευή τρανζίστορ.
Πρώτον, σχετικά με την ουσία του διακόπτη. Οι ιδιότητες των περισσότερων τεχνουργημάτων πρέπει να ικανοποιούν ένα ευρύ φάσμα αδυσώπητων φυσικών περιορισμών. Ένα επιβατικό αεροσκάφος πρέπει να αντέχει το συνδυασμένο βάρος πολλών ανθρώπων. Μια ηλεκτρική σκούπα πρέπει να μπορεί να ρουφήξει μια συγκεκριμένη ποσότητα βρωμιάς σε συγκεκριμένο χρόνο από μια συγκεκριμένη φυσική περιοχή. Τα αεροπλάνα και οι ηλεκτρικές σκούπες θα ήταν άχρηστα αν μειωθούν σε νανοκλίμακα.
Ένας διακόπτης, ένας αυτόματος διακόπτης που δεν έχει αγγίξει ποτέ ανθρώπινο χέρι, έχει πολύ λιγότερους φυσικούς περιορισμούς. Πρέπει να έχει δύο διαφορετικές καταστάσεις και πρέπει να μπορεί να επικοινωνεί με άλλους παρόμοιους διακόπτες όταν αλλάζουν οι καταστάσεις τους. Δηλαδή, το μόνο που θα πρέπει να μπορεί να κάνει είναι να ανάβει και να απενεργοποιεί. Τι το ιδιαίτερο έχουν τα τρανζίστορ; Γιατί άλλοι τύποι ψηφιακών διακοπτών δεν έχουν βιώσει τέτοιες εκθετικές βελτιώσεις;
Εδώ ερχόμαστε στο δεύτερο γεγονός. Τα τρανζίστορ μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας χημικές διαδικασίες χωρίς μηχανική επέμβαση. Από την αρχή, βασικό στοιχείο της παραγωγής τρανζίστορ ήταν η χρήση χημικών ακαθαρσιών. Στη συνέχεια ήρθε η επίπεδη διαδικασία, η οποία εξάλειψε το τελευταίο μηχανικό βήμα από την παραγωγή - τη σύνδεση των συρμάτων. Ως αποτέλεσμα, απαλλάχθηκε από τον τελευταίο φυσικό περιορισμό στη μικρογραφία. Τα τρανζίστορ δεν χρειαζόταν πλέον να είναι αρκετά μεγάλα για τα ανθρώπινα δάχτυλα—ή οποιαδήποτε μηχανική συσκευή. Όλα έγιναν με απλή χημεία, σε μια αφάνταστα μικρή κλίμακα: οξύ προς χάραξη, φως για να ελέγχει ποια μέρη της επιφάνειας θα αντιστέκονταν στη χάραξη και ατμός για να εισάγει ακαθαρσίες και μεταλλικές μεμβράνες στις χαραγμένες ράγες.
Γιατί είναι καθόλου απαραίτητη η μικρογραφία; Η μείωση του μεγέθους έδωσε έναν ολόκληρο γαλαξία με ευχάριστες παρενέργειες: αυξημένη ταχύτητα μεταγωγής, μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και κόστος μεμονωμένων αντιγράφων. Αυτά τα ισχυρά κίνητρα οδήγησαν όλους να αναζητήσουν τρόπους για περαιτέρω μείωση των διακοπτών. Και η βιομηχανία ημιαγωγών έχει περάσει από την κατασκευή διακοπτών στο μέγεθος ενός νυχιού στη συσκευασία δεκάδων εκατομμυρίων διακοπτών ανά τετραγωνικό χιλιοστό στη διάρκεια ζωής ενός ανθρώπου. Από το να ζητάς οκτώ δολάρια για έναν διακόπτη μέχρι να προσφέρεις είκοσι εκατομμύρια διακόπτες για ένα δολάριο.
Τσιπ μνήμης Intel 1103 από το 1971. Μεμονωμένα τρανζίστορ, μεγέθους μόνο δεκάδων μικρομέτρων, δεν είναι πλέον ορατά στο μάτι. Και από τότε μειώθηκαν άλλες χιλιάδες φορές.
Τι άλλο να διαβάσετε:
- Ernest Bruan και Stuart MacDonald, Επανάσταση στη μινιατούρα (1978)
- Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Πηγή: www.habr.com