Πέμπτη, 20 Δεκεμβρίου 2018

Τρανζίστορ, η εφεύρεση που άλλαξε τον κόσμο. Transistor, the invention that changed the world

The transistor is perhaps the most important discovery in the history of engineering. At its most basic level, it’s essentially an electronic switch; it can turn currents on and off automatically, and is crucial to almost all modern electronic circuits. Transistors changed the face of technology across the entire planet – without them we’d have no computers, no smartphones, and only very basic communications (just to name a few). We certainly wouldn’t have any power distribution systems! The first transistor was built by AT&T’s Bell Labs on December 23rd 1947, and eventually won its creators the Nobel Prize for Physics.

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1940 οι ηλεκτρονικές συσκευές (ραδιόφωνα, τηλεοράσεις, ασύρματοι κτλ.) χρησιμοποιούσαν ηλεκτρονικές λυχνίες για την ενίσχυση του ρεύματος. Αυτές όμως ήταν ογκώδεις και ενεργοβόρες, με αποτέλεσμα να είναι και δύσχρηστες.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) in Philadelphia, Pennsylvania. Glen Beck (background) and Betty Snyder (foreground) program the ENIAC in building 328 at the Ballistic Research Laboratory (BRL).

Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής ENIAC, που είχε κατασκευαστεί στις ΗΠΑ το 1945, περιείχε 18.000 λυχνίες, ζύγιζε 30 τόνους και απαιτούσε ηλεκτρική ισχύ 200 κιλοβάτ. Η εφεύρεση του τρανζίστορ, το 1947, ήταν αυτή που έφερε την ηλεκτρονική επανάσταση, η οποία μας έδωσε τα σημερινά «έξυπνα» κινητά τηλέφωνα, τους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους και τις διαστημικές αποστολές σε άλλους πλανήτες.

Μετά το τέλος του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου στα ερευνητικά εργαστήρια της εταιρείας Bell, η οποία ήταν ιδιοκτήτρια του τηλεφωνικού δικτύου των ΗΠΑ, άρχισε η προσπάθεια για μία εφεύρεση που θα μπορούσε να αντικαταστήσει τις δύσχρηστες λυχνίες.

Photo of (from left) John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain, the inventors of the transistor, 1948. This is one of a series of publicity photos produced by Bell Labs around the time of the public announcement of the invention (June 30, 1948). Although Shockley was not involved in the invention, and has never been listed on patent applications, Bell Labs decided that Shockley must appear on all publicity photos along with Bardeen and Brattain.

Η ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετείχαν οι φυσικοί John Bardeen, William Shockley, και Walter Brattain, είχε για στόχο τη χρήση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των κρυστάλλων στην κατασκευή μιας διάταξης που θα μπορούσε να ενισχύσει το ηλεκτρικό ρεύμα. Στο πλαίσιο αυτής της ερευνητικής δραστηριότητας, ο Walter Brattain προσάρμοσε σε έναν κρύσταλλο γερμανίου τρία ηλεκτρόδια από χρυσό και στις 16 Δεκεμβρίου 1947 έκανε το κρίσιμο πείραμα.

In 1997 Lucent Technologies created this replica to commemorate the 50th anniversary of the invention of the point-contact transistor at Bell Labs in December 1947.

Διαβίβασε στα δύο ηλεκτρόδια ηλεκτρικό ρεύμα και παρατήρησε ότι οι μεταβολές του εμφανίζονταν ενισχυμένες στο τρίτο. Μόλις είχε εφευρεθεί το τρανζίστορ, ο αντικαταστάτης της ηλεκτρονικής λυχνίας. Προσόντα του: χρησιμοποιούσε ρεύμα χαμηλότερης τάσης, είχε πολύ μικρότερη ηλεκτρική κατανάλωση και η ζωή του ήταν πολύ μεγαλύτερη από αυτήν μίας λυχνίας.

The Regency TR-1 which used Texas Instruments' NPN transistors was the world's first commercially produced transistor radio.

Η πρώτη πρακτική εφαρμογή του τρανζίστορ ήταν στην κατασκευή ραδιοφώνων που ήταν μικρά σε διαστάσεις, τα γνωστά «τρανζιστοράκια».

Στη συνέχεια όμως το τρανζίστορ βελτιώθηκε σημαντικά, με την εφεύρεση και άλλων τρόπων ενίσχυσης, με την αντικατάσταση του γερμανίου από το πυρίτιο και, το κυριότερο, με την κατασκευή όλο και μικρότερων τρανζίστορ, με τη μέθοδο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το τρανζίστορ του Brattain ήταν σε μέγεθος περίπου ένα εκατοστόμετρο.

A research team led by faculty scientist Ali Javey at Berkeley Lab have debuted the smallest transistor ever reported. A gate structure of just 1 nm long can bring Moore’s law back again after the demonstration of the recent Silicon (Si) transistor with 5 nm gate. It was predicted that transistors will fail below 5 nm gate because of some short channel effects that would change the transistor characteristics, but the new finding is proving that wrong. Model showing the transistor structure.

Στον ίδιο όγκο σήμερα χωρούν περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ! Το τελικό αποτέλεσμα είναι η επανάσταση των ηλεκτρονικών υπολογιστών που ζούμε σήμερα, με κυριότερη εφαρμογή τους στην καθημερινή ζωή τα «έξυπνα» κινητά τηλέφωνα. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής που είναι η «καρδιά» ενός απλού (όχι έξυπνου) κινητού τηλεφώνου είναι αφάνταστα καλύτερος από τον ENIAC των ηλεκτρονικών λυχνιών. Κοστίζει 17.000 φορές λιγότερο, είναι 40.000.000 φορές μικρότερος, χρησιμοποιεί 400.000 φορές λιγότερη ενέργεια και όμως είναι 1.300 φορές ισχυρότερος.

Το τρανζίστορ ήταν μια από τις σημαντικότερες, αν όχι η σημαντικότερη, εφευρέσεις του 20ού αιώνα, και οι τρεις δημιουργοί του τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1956.

Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές-μινιατούρες που στηρίζονται σε αυτό αποτελούν το βασικό χαρακτηριστικό του τεχνολογικού πολιτισμού μας, και -πέρα από τα κινητά τηλέφωνα- χρησιμοποιούνται σχεδόν παντού: στα διαστημόπλοια, στους δορυφόρους, στα πλοία, στα αυτοκίνητα, στα ρολόγια, ακόμη και στις καφετιέρες. Και όλα αυτά άρχισαν με το ιστορικό πείραμα του Walter Brattain στις 16 Δεκεμβρίου 1947.

Του Χάρη Βάρβογλη