تبلیغات
علمی - ترانزیستور 60 ساله شد
جمعه 13 دی 1387

ترانزیستور 60 ساله شد

   نوشته شده توسط: امید HERUOSNAM    

قانون تجربی فراموش شدن چیزهای به شدت آشكار همچنان پا برجا است. این روزها از رادیو، تلفن، تلویزیون، كامپیوتر و بسیاری از ادوات الكترونیكی دیگر استفاده می‌كنیم در حالی كه معمولا‌ً فراموش می‌كنیم هر یك از این انقلا‌ب‌های فنی به لطف اختراع وسیله كوچكی به نام ترانزیستور محقق شده‌است.

شانزدهم دسامبر سال 2007 ( 25 آذر) شصتمین سالگرد اختراع ترانزیستور بود. در سال 1947 سه تن از پژوهشگران آزمایشگاه‌های بل، ویلیام شاكلی (1981-1910)، جان باردین (1991-1908) و والتر براتین (1987-1902) آنچه را كه امروز به نام ترانزیستور می‌شناسیم، اختراع كردند.

البته فراهم كردن زمینه‌های فنی اختراع ترانزیستورها به حدود دو دهه پیش از این تاریخ بازمی‌گردد. با این حال با توجه به این كه نام ترانزیستور (تركیبی از واژه‌های Transconductance یا Transfer و Varistor) را یكی از كارمندان آزمایشگاه‌های بل بر اساس طرح سه پژوهشگر مذكور انتخاب كرد، اختراع آن را به این سه تن نسبت می‌دهند.

در واقع آغاز فعالیت برای ساخت آنچه امروز ترانزیستور می‌نامیم، از دهه 1930 آغاز شد. در آن زمان ژولیوس ادگار لیلین‌فلد (1963-1881) فیزیكدان آلمانی سه اختراع را در ایالا‌ت متحده به ثبت رساند. این اختراعات در مورد اصول عملكرد ترانزیستورهای موسوم به اثر میدانی (Field-Effect) بود. تقریباً در همان زمان فیزیكدان آلمانی دیگری به نام اسكار هیل (1994-1908) اختراع مشابهی را در زمینه اثر میدانی ثبت كرد كه این موارد بعدها پایه و اساس اختراع ترانزیستور شدند.

با این همه فعالیت اصلی در زمینه طراحی ترانزیستورها پس از پایان جنگ جهانی دوم و به وسیله باردین، براتین و شاكلی صورت گرفت. در ابتدا شاكلی طرحی برای ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) پیشنهاد داد كه از قطعات نازك نیمه‌رسانا، شامل سیلیكون كه به صورت لا‌یه‌ای به هم متصل شده بودند، تشكیل می‌شد.

اما در عمل دستگاه مبتنی بر طرح او طبق محاسبات انجام شده كار نمی‌كرد. به این ترتیب باردین و براتین سرگرم بررسی طرح ساده‌تری شدند. حاصل تلا‌ش این دو منجر به ساخت گونه‌ای از ترانزیستورها موسوم به ترانزیستور تماس نقطه‌ای یا Point contact شد. این ترانزیستورها با در كنار هم قرار گرفتن دو اتصال پوشیده از طلا‌و یك قطعه ژرمانیوم، كه خود روی پایه‌ای فلزی قرار داشت، ساخته می‌شد.

نتیجه كار این بار رضایت‌بخش بود و در عمل ترانزیستور ساخته شده به درستی كار می‌كرد. باردین و براتین حتی توانستند با استفاده از مداری كه می‌توانست سیگنال‌های صوتی را تقویت كند، دستگاه خود را توسعه دهند. مدت كوتاهی پس از این اتفاق نام ترانزیستور برای این اختراع برگزیده شد و نهایتاً در یكم جولا‌ی 1948 آزمایشگاه‌های بل این ترانزیستور را معرفی و تولید محدود آن را آغاز كرد.

در همین اثنا شاكلی طرح جایگزین دیگری را برای طراحی ترانزیستورها آماده كرده بود كه ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (Bipolar Junction) نامیده می‌شوند.

او اختراع خود را در ژانویه 1948ساخته و مورد آزمایش قرار داده بود كه نتیجه كار موفقیت‌آمیز از آب درآمد.

مزیت اختراع شاكلی طراحی كم‌حجم‌تر و نیز تولید ساده‌تر در مقایسه با ترانزیستورهای حجیم‌تر Point Contact بود. به همین دلیل طرح وی اساس كار تولید ترانزیستورهای تجاری در سال‌های بعد قرار گرفت.

بل در سال 1952 توانست ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی را به تولید انبوه برساند و پس از آن مجوز استفاده از آن را به دیگر شركت‌ها نیز اعطا كرد. دو سال بعد بل به منظور بهبود عملكرد این ترانزیستورها سیلیكون را جایگزین ژرمانیوم كرد.

استفاده از این نوع ترانزیستورها تا زمان عمومیت یافتن نیمه‌رساناهای CMOS در اواخر دهه 1960 ادامه داشت (نیمه‌رساناهای اكسید فلز یا MOS را جان آتالا‌و دان كانگ در سال 1959 اختراع كردند).


با این همه در سال‌های نخست تولید انبوه ترانزیستورها، از آن‌ها بیشتر به منظور تقویت سیگنال‌های آنالوگ استفاده می‌شد. در واقع پیش از آن كه دو دانشمند دیگر یعنی جك كیلبی (2005-1923) و رابرت نُویس (1990-1927) در سال 1958 ترانزیستورها را در تراشه‌های مبتنی بر مدارهای مجتمع تعبیه كنند، ارزش این اختراع به‌عنوان یك سوییچ جریان، آن‌چنان كه باید درك نشد.

تركیب ترانزیستورها منجر به ایجاد یك گیت منطقی می‌شود و همین موضوع امكان ساخت مدارهای دیجیتال مدرن را فراهم می‌كند. در حقیقت از كنار هم قرار گرفتن همین گیت‌ها روی یك مدار مجتمع عناصر اولیه مورد نیاز برای ساخت یك پردازشگر فراهم می‌شود. آی‌بی‌ام یكی از نخستین شركت‌هایی بود كه در سال 1956 به ساخت چنین پردازنده‌هایی دست زد. پردازنده 2400 ترانزیستوری 4004 شركت اینتل نیز یكی از نمونه‌های اولیه مشهور از پردازنده‌های ترانزیستوری است.

در سال 1956 شاكلی، باردین و براتین، به پاس تحقیقات خود در زمینه نیمه‌هادی‌ها و اختراع ترانزیستور جایزه نوبل فیزیك را از آن خود كردند. اعطای این جایزه تقریباً دو سال پس از عرضه نخستین رادیوی ترانزیستوری دنیا صورت گرفت.

روند تولید و پیشرفت تراشه‌های ترانزیستوری به مدد تحولا‌ت فنی و بهبودهای متمادی همچنان ادامه دارد. تراشه‌های ترانزیستوری امروز به تبعیت از قانون مشهور مور، هر روز فشرده‌تر و پیچیده‌تر می‌شوند، تا جایی كه پردازنده‌های پیشرفته امروزی گاه دارای بیش از یك میلیارد ترانزیستور هستند.

بی‌تردید صنعت الكترونیك و فناوری اطلا‌عات مدیون تلا‌ش‌های این سه محقق برجسته و دیگر پیشگامان طراحی ترانزیستورها است. بیل گیتس در مورد اهمیت اختراع ترانزیستورها می‌گوید: «یقین دارم بدون اختراع ترانزیستور، كامپیوترهای شخصی به شكلی كه امروزه آن‌ها را می‌شناسیم، وجود نداشتند.»