De ongelooflijke krimpende transistor

Bij Bell Telephone Laboratories op 16 december 1947 bevestigden natuurkundigen John Bardeen en Walter Brattain drie dunne metalen contacten aan een dun stukje van het element germanium, brachten een elektrisch signaal aan en ontdekten dat het signaal dat uit hun apparaat kwam bijna honderd keer sterker was dan degene die erin ging. Een week later onthuld aan de leidinggevenden van Bell Labs, was de nieuwe solid-state versterker - al snel een transistor genoemd - een prachtig kerstcadeau, in de woorden van onderzoeksgroepleider William Shockley, die slechts een maand later bedacht een verbeterde versie die uiteindelijk veel gemakkelijker te vervaardigen bleek te zijn.

Vijftig jaar later zijn transistors zo drastisch gekrompen dat ze nu onzichtbaar zijn voor het blote oog. Maar als cruciale ingrediënten in elke microchip, die fungeren als microscopisch kleine pompen en kleppen die de stroom van elektrische stroom regelen, blijven deze minuscule apparaten een enorme impact hebben op bijna elk aspect van het moderne leven.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 1997

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Het was destijds duidelijk dat het logge apparaat van Bardeen en Brattain een doorbraak in de elektronica betekende. Maar de uitvinders zagen het vooral als een vervanging voor vacuümbuizen, die werden gebruikt als versterkers en schakelaars in telefoonapparatuur, radio's en de meeste andere elektronische apparaten. Shockley had misschien de beste intuïtie voor wat komen ging. Er is de laatste tijd veel nagedacht over elektronische hersenen of computermachines, speculeerde hij in december 1949. Het lijkt mij dat in deze robothersenen de transistor de ideale zenuwcel is.

Het fysieke proces dat Bardeen, Brattain en Shockley ontdekten, vormt nu het kloppende hart van een elektronica-industrie die een wereldwijde omzet van meer dan $ 1 biljoen per jaar genereert. De grootste waarde van de transistor is dat hij zo drastisch kan worden geminiaturiseerd: de fundamentele werkingsprincipes zijn in wezen ongewijzigd gebleven, aangezien de lineaire afmetingen meer dan 10.000 keer zijn gekrompen. Daarentegen hadden vacuümbuizen absoluut geen vooruitzichten voor het soort verbazingwekkende miniaturisatie dat heeft plaatsgevonden in solid-state apparaten. En de andere problemen van de buizen - ze waren onhandig, verbrandden te vaak, produceerden te veel warmte en verbruikten te veel stroom - bleken volledig onoverkomelijk.

De eerste transistors waren typisch een centimeter lang; tegen het einde van de jaren vijftig werden ze gemeten in millimeters. Met de uitvinding van de geïntegreerde schakeling in 1958 werd het toneel klaar voor een gestage parade van verdere innovaties die de grootte van de transistors terugbrachten tot submicronniveaus - minder dan een miljoenste van een meter. Tegenwoordig is de transistor niet meer dan een abstract fysiek principe dat ontelbare keren op smalle strookjes silicium is gedrukt - miljoenen microscopisch kleine rimpels op een glinsterende kristalzee. Zoals medeoprichter van Intel, Gordon Moore, onlangs opmerkte, worden er elk jaar meer transistors gemaakt dan regendruppels die op Californië vallen, en het produceren van een transistor kost minder dan het afdrukken van een enkel teken in een krant.

De synergie tussen een nieuwe component en een nieuwe applicatie zorgde voor een explosieve groei van beide, constateerde Moore's oude partner Robert Noyce, die nadacht over hoe de transistor en de computer samen opgroeiden. Hij maakte deze opmerking in 1977, een paar jaar voordat de personal computer opnieuw een commerciële explosie op basis van halfgeleiders begon te stimuleren. Meer dan welke andere factor dan ook, is de fantastische krimp van de transistor, zowel qua omvang als qua kosten, wat de gemiddelde persoon in staat heeft gesteld een computer te bezitten en te bedienen die veel krachtiger is dan alles wat de strijdkrachten of grote bedrijven zich een paar decennia geleden konden veroorloven. Als we in plaats daarvan op vacuümbuizen hadden moeten vertrouwen, zou de rekenkracht van een Pentium-chip een machine nodig hebben die zo groot is als het Pentagon.

En juist het afgelopen jaar - wat toevallig ook de honderdste verjaardag is van de ontdekking van het elektron - zijn er succesvolle pogingen gedaan om transistors te bouwen die zo klein zijn dat ze de transmissie van slechts één elektron door een kanaal van minder dan 10 nanometer lang inhouden. Als deze technologie ooit naar de productielijn kan worden overgebracht, ligt er misschien nog een honderdvoudige reductie in de grootte van transistors in het verschiet.

Zeldzame combinaties

Het verhaal van de uitvinding van de transistor bij Bell Labs is een vrij bekend verhaal dat vaak wordt naverteld als er vragen rijzen over het belang van fundamenteel onderzoek in het innovatieproces. Veel minder bekend is het verhaal van de technologische ontwikkeling die daarop volgde. Het was deze zeldzame combinatie van fundamenteel onderzoek en fundamentele technologische ontwikkeling die moderne transistors en microchips mogelijk maakte. Er zijn maar weinig of geen afleveringen in de geschiedenis van innovatie die vergelijkbaar zijn.

The Labs combineerden een pragmatische, doelgerichte onderzoeksfilosofie met wat Shockley noemde respect voor de wetenschappelijke aspecten van praktische problemen. Het onderzoek werd geleid door het langetermijndoel om de componenten en diensten van het Bell-systeem te verbeteren - betere schakelaars, duidelijkere signalen, enz. Maar binnen die context hadden wetenschappers alle vrijheid om fundamenteel onderzoek te doen naar de eigenschappen van materialen. Vooraanstaande theoretische natuurkundigen werkten schouder aan schouder met eersteklas onderzoekers en enkele van de beste ingenieurs voor apparaatontwikkeling in het land. De uitvinding en ontwikkeling van de transistor illustreert dit samenspel tussen het praktische en het wetenschappelijke dat Bell Labs in zijn hoogtijdagen kenmerkte.

Toen Shockley's originele ideeën voor het maken van een halfgeleiderversterker bijvoorbeeld faalden, stelde Bardeen een geheel andere theorie van het gedrag van halfgeleiders voor die hij uiteindelijk publiceerde in de Physical Review. De veldeffectbenadering van Shockley omvatte het gebruik van externe elektrische velden om een ​​overmaat aan elektronen nabij het oppervlak van kristallijne materialen zoals silicium te induceren; met meer elektronen die daar samenkomen, zou er meer stroom moeten vloeien. Of dat dacht hij tenminste. Om het schijnbare gebrek aan een dergelijk effect te verklaren, stelde Bardeen zijn theorie van oppervlaktetoestanden voor, waarin elektronen op het oppervlak vast komen te zitten en elektrische velden blokkeren om binnen te dringen. Dit was een gloednieuw startpunt dat de onderzoeksinspanningen van de groep heroriënteerde om deze lastige toestanden te begrijpen. We stopten met de poging om een ​​versterker te maken, herinnerden ons Shockley, en concentreerden ons op nieuwe experimenten met betrekking tot de oppervlaktetoestanden van Bardeen.

Toen Brattain echter in november 1947 op een grove manier stuitte om deze blokkade te overwinnen, keerde de aandacht van de groep vrijwel onmiddellijk terug naar het praktische doel om een ​​halfgeleiderversterker te maken. Een maand later vonden ze de eerste transistor uit, de puntcontacttransistor, met twee stroken goudfolie die aan de zijkanten van een plastic wig waren gelijmd die de folieranden in een germaniumplaat drukte. Hoewel deze vreemde gadget bijna 2,5 cm uitrekte, vond het nieuwe fysieke proces dat verantwoordelijk is voor vermogenswinst plaats in slechts 2 mils of 50 micron, ongeveer de dikte van een vel papier van germanium tussen de metalen punten die het oppervlak raken. Positief geladen kwantummechanische entiteiten die bekend staan ​​als gaten die onder het ene punt worden gegenereerd, druppelden langs een oppervlaktelaag naar het andere punt, waardoor de weerstand van het materiaal eronder werd verminderd en daardoor de stroom die erdoorheen vloeide toenam.

Onder het verlichte management van Mervin Kelly en Jack Morton begon Bell Labs al snel middelen te pompen in de ontwikkeling van technologieën om transistors commercieel levensvatbaar te maken. Het perfectioneerde methoden voor het zuiveren van germanium en silicium en het kweken van grote kristallen van deze elementen. Binnen een paar jaar stelden deze technologieën Shockley en collega's in staat zijn idee van een junctietransistor te realiseren, die veel betrouwbaarder bleek dan het vreemde apparaat van Bardeen en Brattain en zich veel gemakkelijker leende voor massaproductie. In dit soort transistor vervangen zogenaamde pn-overgangen de metaal-halfgeleider-puntcontacten; deze verbindingen worden gevormd tussen twee ongelijke lagen halfgeleidermateriaal geïmpregneerd met verschillende onzuiverheden om een ​​lichte overmaat aan elektronen of gaten te induceren. Deze benadering bleek cruciaal te zijn bij het vervaardigen van de goedkope, betrouwbare transistors die in de jaren vijftig in elektrische apparaten zoals radio's en gehoorapparaten verschenen.

Bovendien maakten de Labs deze en andere technologieën direct beschikbaar voor bedrijven die graag in de halfgeleiderindustrie wilden stappen. Door ze te combineren met een paar eigen innovaties, vonden Noyce en Jack Kilby tegen het einde van het decennium de geïntegreerde schakeling uit bij Fairchild Semiconductor en Texas Instruments. Tegenwoordig beter bekend als microchips, die nu miljoenen transistors op een enkel stukje silicium bevatten, vormen deze circuits de basis van de huidige halfgeleiderindustrie van $ 150 miljard. Zoals Morton opmerkte: als je je brood op water smeert, komt het soms terug als engelentaart.

Verdere evolutie

Vijftig jaar materiaalwetenschap en techniek hebben de afmetingen die nodig zijn voor het transistoreffect doen instorten tot op submicronniveau. Germanium is vervangen door silicium, dat zich veel beter gedraagt ​​bij hoge temperaturen. Diffusie van micron-diepe lagen van onzuivere atomen in silicium en vorming van een glasachtige, beschermende oxidelaag erop, fotolithografie voor het etsen van delicate kenmerken op het siliciumoppervlak en dampafzetting van metalen contacten bovenop deze glasachtige laag begonnen massaproductie mogelijk te maken van geïntegreerde schakelingen die veel transistors en andere halfgeleidercomponenten bevatten.

Toen Bell Labs in 1960 eindelijk de oppervlaktetoestanden van Bardeen onder controle had gebracht door de vorming van de oxidelaag in een zorgvuldig gecontroleerde omgeving, kwam Shockley's oorspronkelijke veldeffectbenadering weer op de voorgrond in de vorm van de metaaloxide-halfgeleidertransistors (MOS) die domineren de industrie vandaag. Hier wordt een elektrisch veld aangelegd door de isolerende oxidelaag door een kleine strook metaal op het oppervlak op te laden; dit veld regelt de stroom die in het silicium net eronder vloeit. Kleine veranderingen in de elektrische lading op de strip kunnen een enorme impact hebben op deze stroom, soms zelfs helemaal blokkeren.

In 1965 constateerde Moore dat het aantal afzonderlijke componenten op geïntegreerde schakelingen elk jaar verdubbelt. Hij extrapoleerde deze exponentiële groei voor nog een decennium en kwam met een verbazingwekkende prognose: dat de circuits van 1975 zo'n 65.000 apparaten zouden bevatten. Nu vastgelegd als de wet van Moore, is zijn voorspelling al meer dan drie decennia waar, hoewel de verdubbelingsperiode is gegroeid tot ongeveer 18 maanden. De meest geavanceerde chips van tegenwoordig bevatten miljoenen transistors, elk met typische afmetingen van minder dan een halve micron. En fotolithografische technieken op basis van ultraviolet licht beloven een verdere verkleining tot bijna een tiende van een micron of 100 nanometer. Chips met miljarden solid-state componenten kunnen binnenkort werkelijkheid worden.

Innovatie vandaag

De cruciale les die we uit de transistorepisode kunnen trekken, is dat fundamenteel onderzoek binnen de grenzen van een op winst gericht bedrijf heeft geleid tot een volledig nieuw en fenomenaal waardevol uitgangspunt voor elektronica. Een nauw samenspel tussen het praktische en het wetenschappelijke leidde tot de ontdekking en snelle ontwikkeling van het fysieke proces van transistoractie, dat zo drastisch geminiaturiseerd kon worden.

Maar het naoorlogse Bell Labs was een unieke instelling die vandaag de dag heel moeilijk, zo niet onmogelijk, te repliceren zou zijn. Wat Kelly beschreef als een instituut voor creatieve technologie, concentreerde de intellectuele energie van een half dozijn uiteindelijke Nobelprijswinnaars onder het dak van een enkel industrieel laboratorium in New Jersey. Het moederbedrijf, AT&T, bevond zich echter in een heel bijzondere situatie: het had een monopolie op telefoondiensten in de hele Verenigde Staten. Daarom betaalde ze elke keer dat iemand een langeafstandstelefoontje plaatste in feite een basisbelasting voor onderzoek en technologieontwikkeling om de lopende projecten in de Labs te ondersteunen. In ruil daarvoor beschouwden veel van de wetenschappers en ingenieurs die daar werkten zichzelf als onderdeel van een nationale hulpbron die de verantwoordelijkheid had om het nationale belang te dienen.

In het huidige zeer competitieve ondernemingsklimaat kunnen de meeste bedrijven zich geen onderzoeks- en ontwikkelingskosten veroorloven die hun winstgevendheid waarschijnlijk jarenlang niet zullen verbeteren. Gedreven door winstdruk en productcycli van 18 maanden, kunnen maar weinig bedrijven het zich veroorloven om de multidisciplinaire teams samen te stellen en hen de brede onderzoeksruimte te geven die Bell Labs in de naoorlogse jaren met zijn solid-state groep deed. En hun nieuwe technologieën zo vrij beschikbaar maken is absoluut ondenkbaar.

De federale overheid probeert de kloof tussen wetenschap en industrie te overbruggen door technologieoverdracht en geavanceerde technologieprogramma's te bevorderen. Maar dit zijn moeilijke voorstellen, beladen met ernstige problemen en politieke meningsverschillen. In de huidige gefragmenteerde R&D-omgeving blijven natuurkundigen van onderzoeksuniversiteiten en nationale laboratoria streven naar ingebeelde superstrings en leptoquarks die geen denkbare praktische toepassingen hebben; ondertussen concentreren ingenieurs bij halfgeleiderbedrijven zich op het ontwikkelen van manieren om steeds fijnere kenmerken op silicium te etsen.

Mede door deze ongelukkige tweedeling komen innovaties moeilijk tot productie. Recente doorbraken zoals nanostructuren van fullereen en supergeleiders bij hoge temperaturen blijven curiositeiten in het laboratorium; in vergelijking met de transistor, die amper vijf jaar na de uitvinding in hoortoestellen begon te verschijnen, hinken deze innovaties in de richting van commercialisering. Een mogelijke oplossing kan liggen in brancheconsortia, zoals Austin's Sematech, die voornamelijk gericht zijn op het ontwikkelen van de diepe pool van nieuwe technologie die hun deelnemende bedrijven nodig hebben om productlijnen te verbeteren. In dergelijke goed gefinancierde consortia zouden basisonderzoeksgroepen kunnen worden opgenomen. Op die manier zouden ze opereren te midden van een pragmatische omgeving die ook de fundamentele ontwikkeling zou kunnen bevorderen die normaal gesproken nodig is om wetenschappelijke ontdekkingen om te zetten in bruikbare producten.

Een andere hoopvolle trend is dat grote bedrijven zoals Microsoft, die een comfortabel aandeel of een virtueel monopolie hebben op hun specifieke markt, opnieuw de wijsheid beginnen in te zien van investeren in onderzoek. Dit is wat er in de jaren zeventig gebeurde in het Palo Alto Research Center van Xerox en leidde tot de ontwikkeling van uiterst nuttige informatietechnologieën zoals Ethernet, de muis en de grafische gebruikersinterface. Onder leiding van Bill Gates en Nathan Myhrvold heeft Microsoft onlangs een soortgelijke wending genomen door honderden miljoenen te besteden aan fundamentele onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten in de informatica. Maar ik vraag me af in hoeverre het bedrijf zijn bevindingen met andere bedrijven zal delen.

Hoe het ook zij, het is belangrijk om het echte partnerschap te erkennen dat tussen wetenschap en technologie moet bestaan. Het is niet dat wetenschap technologie wordt in producten, stelt Moore bij het aanvallen van het lineaire model van industriële ontwikkeling van Bell Labs. Het is technologie die ervoor zorgt dat de wetenschap erachter komt. Maar de wetenschap waarnaar hij verwijst, is de eng toegepaste wetenschap die tegenwoordig in het grootste deel van de industrie wordt toegepast en waaruit weinig of geen radicaal nieuwe innovaties en uitgangspunten zullen voortkomen. Wetenschap en technologie zijn als de twee met elkaar verweven polypeptideketens in een DNA-molecuul. Elk beïnvloedt de ander in een gecompliceerde, symbiotische relatie die sterk zou afnemen als een van beide de dienstmaagd van de ander zou worden.

Mijn centrale punt is dat we het gefragmenteerde karakter van de huidige R&D-onderneming moeten overwinnen. Wat het naoorlogse Bell Labs kenmerkte en leidde tot de uitvinding en ontwikkeling van de transistor was dat het volledige scala aan talenten die nodig zijn voor revolutionaire innovatie onder één dak te vinden was, nauw samenwerkend als een goed geoliede eenheid onder een verlicht management dat begreep hoe zulke multidisciplinaire teams tijdens de Tweede Wereldoorlog radar en de atoombom hadden ontwikkeld. Ik hoop dat we niet nog een dergelijke ramp nodig zullen hebben om ons nogmaals te herinneren aan de waarde van coöperatief onderzoek en ontwikkeling.

zich verstoppen