Den otroliga krympande transistorn

Vid Bell Telephone Laboratories den 16 december 1947 fäste fysikerna John Bardeen och Walter Brattain tre tunna metallkontakter på en tunn skiva av grundämnet germanium, applicerade en elektrisk signal och upptäckte att signalen som kom från deras enhet var nästan hundra gånger starkare än den som gick in. Avtäckt en vecka senare för Bell Labs chefer, den nya solid-state-förstärkaren - snart kallad en transistor - var en magnifik julklapp, enligt forskargruppens ledare William Shockley, som bara en månad senare blev befruktad en förbättrad version som så småningom visade sig vara mycket lättare att tillverka.

Femtio år senare har transistorer krympt så dramatiskt att de nu är osynliga för blotta ögat. Men eftersom de avgörande ingredienserna i varje mikrochip, fungerar som mikroskopiska pumpar och ventiler som reglerar flödet av elektrisk ström, fortsätter dessa små enheter att ha en enorm inverkan på nästan alla aspekter av det moderna livet.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det var uppenbart på den tiden att Bardeen och Brattains otympliga utrustning representerade ett genombrott inom elektroniken. Men dess uppfinnare tänkte på det främst som en ersättning för vakuumrör, som användes som förstärkare och switchar i telefonutrustning, radioapparater och de flesta andra elektroniska enheter. Shockley hade kanske den bästa intuitionen om vad som komma skulle. Det har nyligen ägnats en hel del tankar kring elektroniska hjärnor eller datormaskiner, spekulerade han i december 1949. Det förefaller mig som att i dessa robothjärnor är transistorn den ideala nervcellen.

Den fysiska process som Bardeen, Brattain och Shockley upptäckte ligger nu i hjärtat av en elektronikindustri som genererar en världsomspännande försäljning på mer än 1 biljon dollar per år. Transistorns största värde är att den kan miniatyriseras så drastiskt: dess grundläggande funktionsprinciper har förblivit i stort sett oförändrade eftersom dess linjära dimensioner har krympt mer än 10 000 gånger. Däremot hade vakuumrör absolut inga utsikter för den typ av häpnadsväckande miniatyrisering som har inträffat i solid-state-enheter. Och rörens andra problem - de var svåra, brändes ut för ofta, genererade för mycket värme och förbrukade för mycket ström visade sig vara helt oöverstigliga.

De första transistorerna var vanligtvis en centimeter långa; i slutet av 1950-talet mättes de i millimeter. Med uppfinningen av den integrerade kretsen 1958 var scenen redo för en stadig parad av ytterligare innovationer som reducerade storleken på transistorer till submikronnivåer - mindre än en miljondels meter. Idag är transistorn lite mer än en abstrakt fysisk princip som präglats otaliga gånger på smala kiselskivor - miljoner mikroskopiska krusningar på ett skimrande kristallklart hav. Som Intels medgrundare Gordon Moore nyligen noterade, tillverkas det fler transistorer varje år än regndroppar som faller över Kalifornien, och att producera en sådan kostar mindre än att skriva ut ett enda tecken i en tidning.

Synergin mellan en ny komponent och en ny applikation genererade en explosiv tillväxt av båda, observerade Moores långvariga partner Robert Noyce, och reflekterade över hur transistorn och datorn växte upp tillsammans. Han gjorde denna kommentar 1977, några år innan persondatorn började stimulera ytterligare en kommersiell explosion baserad på halvledare. Mer än någon annan faktor är transistorns fantastiska krympning i både storlek och kostnad det som har gjort det möjligt för en genomsnittlig person att äga och driva en dator som är mycket kraftfullare än något som väpnade tjänster eller stora företag hade råd med för några decennier sedan. Om vi ​​istället hade behövt förlita oss på vakuumrör, till exempel, skulle datorkraften hos ett Pentium-chip kräva en maskin lika stor som Pentagon.

Och just det senaste året - som också råkar vara hundraårsdagen för elektronens upptäckt - har det gjorts framgångsrika försök att bygga transistorer så små att de involverar överföring av endast en elektron genom en kanal som är mindre än 10 nanometer lång. Om denna teknik någonsin kan överföras till produktionslinjen kan ytterligare en hundrafaldig minskning av storleken på transistorer vara på gång.

Sällsynta kombinationer

Sagan om uppfinningen av transistorn på Bell Labs är en ganska välkänd saga som ofta återberättas när frågor uppstår om vikten av grundforskning i innovationsprocessen. Mycket mindre bekant är historien om den tekniska utvecklingen som följde. Det var denna sällsynta kombination av grundforskning och grundläggande teknikutveckling som gjorde moderna transistorer och mikrochips möjliga. Få, om några, episoder i innovationshistorien kan jämföras.

Labs kombinerade en pragmatisk, målinriktad forskningsfilosofi med vad Shockley kallade respekt för de vetenskapliga aspekterna av praktiska problem. Forskningen styrdes av det långsiktiga målet att förbättra komponenterna och tjänsterna i Bell System-bättre växlar, tydligare signaler, etc. Men inom det sammanhanget hade forskarna stor frihet att göra grundläggande forskning om egenskaper hos material. Ledande teoretiska fysiker arbetade skuldra vid skuldra med förstklassiga experimentörer och några av de bästa apparatutvecklingsingenjörerna i landet. Uppfinningen och utvecklingen av transistorn illustrerar detta samspel mellan det praktiska och det vetenskapliga som kännetecknade Bell Labs i dess storhetstid.

När Shockleys ursprungliga idéer för att göra en solid state-förstärkare misslyckades, till exempel, föreslog Bardeen en helt annan teori om halvledarbeteende som han så småningom publicerade i Physical Review. Shockleys fälteffektstrategi involverade användningen av externa elektriska fält för att inducera ett överskott av elektroner nära ytan av kristallina material som kisel; med fler elektroner som samlas där borde mer ström flyta. Eller så trodde han. För att förklara den uppenbara bristen på någon sådan effekt, föreslog Bardeen sin teori om yttillstånd, där elektroner fastnar på ytan och blockerar elektriska fält från att penetrera. Detta var en helt ny utgångspunkt som omorienterade gruppens forskningsansträngningar mot att förstå dessa besvärliga tillstånd. Vi övergav försöket att göra en förstärkningsanordning, återkallade Shockley, och koncentrerade oss på nya experiment relaterade till Bardeens yttillstånd.

När Brattain snubblade över ett grovt sätt att övervinna denna blockering i november 1947, återvände gruppens uppmärksamhet nästan omedelbart till det praktiska målet att göra en solid state-förstärkare. En månad senare uppfann de den första transistorn, punktkontakttransistorn, som hade två remsor av guldfolie limmade på sidorna av en plastkil som pressade in foliekanterna i en germaniumplatta. Även om den här konstiga prylen sträckte sig nästan en tum, inträffade den nya fysiska processen som är ansvarig för strömförstärkning på bara 2 mils eller 50 mikron, ungefär lika tjockt som ett pappersark av germanium mellan metallpunkterna som rörde dess yta. Positivt laddade kvantmekaniska enheter, kända som hål genererade under en punkt, sipprade längs ett ytskikt till den andra punkten, vilket minskade motståndet hos materialet under det och därigenom ökade strömmen som flödar genom den.

Under Mervin Kellys och Jack Mortons upplysta ledning började Bell Labs snart satsa resurser på att utveckla teknologier för att göra transistorer kommersiellt gångbara. Det fulländade metoder för att rena germanium och kisel och odla stora kristaller av dessa element. Inom några år tillät dessa teknologier Shockley och kollegor att förverkliga sin idé om en kopplingstransistor, som visade sig vara mycket mer tillförlitlig än Bardeen och Brattains udda enhet och lånade sig mycket lättare till massproduktion. I denna typ av transistor ersätter så kallade p-n-övergångar metall-till-halvledarpunktkontakterna; dessa förbindelser bildas mellan två olika lager av halvledarmaterial impregnerade med olika föroreningar för att inducera ett litet överskott av elektroner eller hål. Detta tillvägagångssätt visade sig vara avgörande för tillverkningen av de billiga, pålitliga transistorer som började dyka upp i elektriska apparater som radioapparater och hörapparater under 1950-talet.

Dessutom gjorde Labs dessa och andra tekniker lätt tillgängliga för företag som var ivriga att komma in i halvledarbranschen. Genom att kombinera dem med några ytterligare innovationer, uppfann Noyce och Jack Kilby den integrerade kretsen hos Fairchild Semiconductor och Texas Instruments mot slutet av årtiondet. Bättre kända idag som mikrochips, som nu innehåller miljontals transistorer på en enda kiselskiva, dessa kretsar utgör grunden för dagens halvledarindustri på 150 miljarder dollar. Som Morton observerade, ibland när du breder ut ditt bröd på vatten, kommer det tillbaka som änglas matkaka.

Ytterligare utveckling

Femtio år av materialvetenskap och ingenjörskonst har kollapsat de dimensioner som behövs för transistoreffekten till submikronnivån. Germanium har ersatts av kisel, som beter sig mycket bättre vid höga temperaturer. Diffusion av mikrondjupa lager av föroreningsatomer till kisel och bildning av ett glasartat, skyddande oxidskikt på det, fotolitografi för etsning av känsliga särdrag på kiselytan och ångavsättning av metallkontakter ovanpå detta glasartade skikt började möjliggöra massproduktion av integrerade kretsar som innehåller många transistorer och andra halvledarkomponenter.

När Bell Labs äntligen förde Bardeens yttillstånd under kontroll 1960, genom att bilda oxidskiktet i en noggrant kontrollerad miljö, återvände Shockleys ursprungliga fälteffekttillvägagångssätt i form av metall-oxid-halvledartransistorer (MOS) som dominerar branschen idag. Här anbringas ett elektriskt fält genom det isolerande oxidskiktet genom att ladda en liten remsa av metall avsatt på dess yta; detta fält styr strömmen som flyter i kislet strax under. Små förändringar i den elektriska laddningen på remsan kan ha en enorm inverkan på denna ström - ibland till och med blockera den helt.

År 1965 observerade Moore att antalet enskilda komponenter på integrerade kretsar fördubblades varje år. Han extrapolerade denna exponentiella tillväxt under ytterligare ett decennium och kom med en häpnadsväckande prognose: att kretsarna från 1975 skulle innehålla cirka 65 000 enheter. Nu inskriven som Moores lag, har hans förutsägelse fortsatt att gälla i över tre decennier, även om fördubblingsperioden har vuxit till cirka 18 månader. De mest avancerade chipsen idag innehåller miljontals transistorer - var och en med typiska dimensioner på mindre än en halv mikron. Och fotolitografitekniker baserade på ultraviolett ljus lovar en ytterligare storleksminskning till nästan en tiondels mikron, eller 100 nanometer. Chips med miljarder solid state-komponenter kan snart bli verklighet.

Innovation idag

Den avgörande lärdomen att dra av transistorepisoden är att grundforskning inom ramen för ett vinstdrivet företag ledde till en helt ny och fenomenalt värdefull utgångspunkt för elektronik. Ett nära samspel mellan det praktiska och det vetenskapliga ledde till upptäckten och den snabba utvecklingen av den fysiska processen för transistorverkan, som kunde miniatyriseras så drastiskt.

Men efterkrigstidens Bell Labs var en unik institution som skulle vara mycket svår - om inte omöjlig - att replikera idag. Vad Kelly beskrev som ett institut för kreativ teknologi, det koncentrerade de intellektuella energierna hos ett halvdussin eventuella nobelpristagare under taket på ett enda industrilaboratorium i New Jersey. Men dess moderföretag, AT&T, befann sig i en mycket speciell situation: det hade monopol på telefontjänster i hela USA. Varje gång någon ringde ett långdistanssamtal betalade hon därför i själva verket en skatt på grundforskning och teknikutveckling för att stödja de pågående projekten vid laboratoriet. I gengäld ansåg många av de vetenskapsmän och ingenjörer som arbetade där sig vara en del av en nationell resurs som hade ett ansvar att tjäna det nationella intresset.

I dagens mycket konkurrensutsatta affärsklimat har de flesta företag inte råd med forsknings- och utvecklingskostnader som sannolikt inte kommer att förbättra deras lönsamhet på flera år. Drivet av vinsttryck och 18-månaders produktcykler har få företag råd att sätta samman de multidisciplinära teamen och ge dem det breda forskningsutrymme som Bell Labs gjorde med sin solid-state-grupp under efterkrigsåren. Och att göra deras nya teknologier så fritt tillgängliga är helt otänkbart.

Den federala regeringen försöker hjälpa till att överbrygga klyftan mellan vetenskap och industri genom att främja tekniköverföring och avancerade teknologiprogram. Men det här är svåra förslag, fyllda med allvarliga problem och politiska meningsskiljaktigheter. I dagens fragmenterade FoU-miljö fortsätter fysiker vid forskningsuniversitet och nationella laboratorier att jaga föreställda supersträngar och leptoquarks som inte har några tänkbara praktiska tillämpningar; Samtidigt fokuserar ingenjörer på halvledarföretag på att utveckla sätt att etsa allt finare egenskaper på kisel.

Delvis på grund av denna olyckliga dikotomi har innovationer svårt att nå produktion. Nyligen genomförda genombrott som fullerennanostrukturer och högtemperatursupraledare förblir laboratoriekuriosa; jämfört med transistorn, som började dyka upp i hörapparater knappt fem år efter att den uppfanns, haltar dessa innovationer mot kommersialisering. En möjlig lösning kan ligga inom industrikonsortier - som Austins Sematech - som främst syftar till att utveckla de djupa pooler av ny teknik som deras deltagande företag behöver för att förbättra produktlinjer. Grundforskningsgrupper kan ingå i sådana välfinansierade konsortier. På så sätt skulle de verka mitt i en pragmatisk miljö som också kunde främja den grundläggande utveckling som vanligtvis behövs för att omvandla vetenskapliga upptäckter till användbara produkter.

En annan hoppfull trend är att stora företag som Microsoft som har en bekväm andel av eller ett virtuellt monopol på sin specifika marknad återigen börjar se det kloka i att investera i forskning. Detta är vad som hände vid Xerox Palo Alto Research Center under 1970-talet och ledde till utvecklingen av så extremt användbar informationsteknik som Ethernet, musen och det grafiska användargränssnittet. Under ledning av Bill Gates och Nathan Myhrvold har Microsoft nyligen tagit en liknande vändning och ägnat hundratals miljoner till grundläggande forsknings- och utvecklingsprojekt inom datavetenskap. Men jag undrar hur mycket företaget kommer att dela sina resultat med andra företag.

Hur som helst är det viktigt att erkänna det sanna partnerskapet som måste finnas mellan vetenskap och teknik. Det är inte vetenskap som blir att teknik blir produkter, hävdar Moore när han attackerar Bell Labs linjära modell för industriell utveckling. Det är teknik som får vetenskapen att följa med. Men den vetenskap han hänvisar till är den snävt tillämpade vetenskapen som görs i större delen av industrin idag – från vilken få, om några, radikalt nya innovationer och utgångspunkter någonsin kommer att dyka upp. Vetenskap och teknik är som de två sammanflätade polypeptidkedjorna i en DNA-molekyl. Var och en påverkar den andra i ett komplicerat, symbiotiskt förhållande som skulle minska avsevärt om den ena blev den andras tjänarinna.

Min centrala poäng är att vi måste övervinna den fragmenterade karaktären hos dagens FoU-företag. Det som kännetecknade efterkrigstidens Bell Labs och ledde till uppfinningen och utvecklingen av transistorn var att hela skalan av talanger som var nödvändiga för revolutionerande innovation fanns under ett och samma tak, som arbetade nära tillsammans som en väloljad enhet under en upplyst ledning som förstod hur sådana multidisciplinära team hade utvecklat radar och atombomben under andra världskriget. Jag hoppas att vi inte kommer att behöva ytterligare en sådan katastrof för att återigen påminna oss om värdet av kooperativ forskning och utveckling.

Dölj