Ziarno półprzewodnika zastąpiło lampę elektronową

Wynalazkiem, który zmiótł ze sceny lampy elektronowe, był tranzystor. Znana jest dokładna data, kiedy się to stało: 16 grudnia 1947 r. W tym dniu dwóch badaczy firmy Bell Telephone Laboratories, John Bardeen oraz Walter Houser Brattain, uzyskało efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych w małym krysztale półprzewodnika. Innymi słowy ziarenko półprzewodnika robiło to samo, co lampa elektronowa – a miało mnóstwo zalet.

Wyjaśnijmy najpierw, czym jest półprzewodnik. To zadziwiająca substancja (najczęściej krystaliczna), której przewodność, czyli zdolność przepuszczania prądu elektrycznego, może być zmieniana w bardzo szerokim zakresie. Półprzewodniki zadziwiały fizyków od ponad 100 lat, bo psuły wygodny i dobrze zakorzeniony w elektrotechnice podział substancji na przewodniki i izolatory. Przewodniki to głównie metale. Robimy z nich kable i druty, przez które przepuszczamy prąd w typowych urządzeniach elektrycznych: lampach, silnikach, grzejnikach itp. Najlepszym przewodnikiem jest srebro, ale dobrą przewodnością odznaczają się także miedź i glin (aluminium). Cała elektrotechnika oparta jest na odpowiednim wykorzystaniu przewodników. To dzięki nim możemy doprowadzić prąd elektryczny do wymaganego miejsca i zmusić do wykonania potrzebnej nam pracy.

Oprócz przewodników do budowy urządzeń elektrycznych używamy także izolatorów, czyli substancji, które praktycznie wcale nie przewodzą prądu. Są one konieczne, żeby chronić otoczenie przed skutkami kontaktu z prądem elektrycznym. Znamy je także z codziennej praktyki jako: powłoki na kablach wykonane z odpowiednio izolujących polimerów, ceramiczne izolatory na słupach wysokiego napięcia, izolujący lakier na drutach tworzących uzwojenia silników – to tylko nieliczne przykłady.

Tymczasem półprzewodniki lokują się gdzieś pośrodku. Ich przewodność jest o wiele mniejsza niż metali, ale większa niż izolatorów. Co więcej – na tę przewodność można wpływać różnymi czynnikami: domieszkowaniem, temperaturą, światłem itp. Półprzewodniki początkowo były lekceważone przez badaczy, którzy woleli albo porządne przewodniki albo bezpieczne izolatory. O zmianie tego nastawienia zadecydował przełomowy wynalazek.

Tranzystor – punkt zwrotny elektroniki światowej

John Bardeen i Walter Houser Brattain uzyskali w 1947 r. efekt kontroli przepływu prądu w krysztale półprzewodnika za pomocą bardzo słabych sygnałów sterujących. W istocie w maleńkim krysztale półprzewodnika uzyskali to samo co wcześniej (w 1906 r.) uzyskano w lampach elektronowych i co stanowiło podstawę burzliwego rozwoju elektroniki. Zbudowane urządzenie nazwali tranzystorem.

Tranzystor zbudowany przez Bardeena i Brattaina był tranzystorem ostrzowym, niezbyt wygodnym w masowej produkcji. Na szczęście naukowiec z tej samej firmy (Bell Telephone Laboratories), William Bradford Shockley, wynalazł w 1951 r. tranzystor warstwowy, łatwiejszy w seryjnej produkcji i doskonalszy w działaniu. Wszyscy trzej wynalazcy zostali w 1956 r. uhonorowani Nagrodą Nobla – i była to wyjątkowo trafna decyzja kapituły nadającej to zaszczytne wyróżnienie, bo tranzystor okazał się rewelacyjnym elementem elektroniki.

Wynalazek tranzystora usuwał liczne wady, jakie miały używane w elektronice lampy. Po pierwsze, tranzystory mogły być o wiele mniejsze od lamp. Nawet najbardziej zminiaturyzowana lampa elektronowa miała co najmniej kilka centymetrów wysokości, natomiast tranzystory w momencie ich wprowadzenia na rynek miały rozmiary kilku milimetrów, a obecnie przy wytwarzaniu układów scalonych produkuje się tranzystory o rozmiarach wyrażanych w nanometrach, czyli miliardowych częściach metra. Bakterie są kilka tysięcy razy większe! To dzięki możliwości budowy superminiaturowych tranzystorów mamy smartfony o kieszonkowych rozmiarach, naładowane tak skomplikowaną elektroniką, że w technice lampowej odpowiednia aparatura musiałaby wypełniać kilka dużych szaf. Tranzystory pozwoliły zbudować miniaturowe odbiorniki radiowe, całkowicie płaskie telewizory albo elektroniczne aparaty słuchowe mieszczące się w całości w uchu pacjenta.

Po drugie, tranzystory psują się o wiele rzadziej niż lampy. W każdej lampie elektronowej musiało być żarzące się włókno (jak w żarówce), które po pewnym czasie nieuchronnie ulegało przepaleniu. Dlatego lampowe odbiorniki radiowe czy telewizory często się psuły i wymagały naprawy, polegającej najczęściej właśnie na wymianie przepalonej lampy. Największy kłopot sprawiały lampy w pierwszych komputerach. Jeśli w takiej maszynie było kilkanaście tysięcy lamp – to z rachunku prawdopodobieństwa wynikało, że musiała się ona psuć nawet kilka razy dziennie. Dramatycznie ograniczało to stosowalność komputerów, które w wersji lampowej nigdy by nie zyskały takiego znaczenia, jakie mają dziś we wszystkich praktycznie dziedzinach życia.

Kolejna wada lamp elektronowych polegała na tym, że urządzenia, w których trzeba było użyć wielu takich lamp, bardzo mocno się nagrzewały. W efekcie prowadziło to do marnowania dużej ilości zasilającej energii elektrycznej, a także stwarzało spore problemy związane z koniecznością chłodzenia takich urządzeń elektronicznych.

I na koniec konieczność używana wysokiego napięcia: w lampach elektronowych konieczne było zasilanie napięciem około 100 V, co powodowało zagrożenia w przypadku nieostrożnego dotknięcia lampowego urządzenia, a ponadto w przypadku urządzeń przenośnych dodatkowo zwiększało ich rozmiary, bo tak zwana bateria anodowa to było sporej wielkości pudełko, zupełnie nieporównywalne z używanymi dziś bateriami urządzeń elektronicznych.

Polskie akcenty w historii tranzystora

Zachwycając się (słusznie!) osiągnięciami Bardeena, Brattaina i Shockleya, powinniśmy wspomnieć także o wcześniejszym osiągnięciu badacza, który wprawdzie mieszkał i pracował w Niemczech, ale który podkreślał chętnie, że jest Polakiem. Badaczem tym był fizyk Julius Edgar Lilienfeld. Urodził się w 1882 r. we Lwowie, ale studia skończył w Berlinie, a pracował w Instytucie Fizycznym na Uniwersytecie w Lipsku i mimo zachęt ze strony polskich uczonych nie zgodził się wrócić do kraju po odzyskaniu przez Polskę niepodległości.

Lilienfeld wymyślił urządzenie półprzewodnikowe zbliżone do współczesnych tranzystorów MOSFET. Urządzenie to opatentował w 1925 r. w Kanadzie, a potem w 1930 r. także w USA i w Niemczech. Tranzystora według pomysłu Lilienfelda w latach 30. XX w. nie udało się zbudować, głównie ze względu na niemożność uzyskania w tym czasie półprzewodników o wystarczająco dobrej jakości, dlatego jego wynalazek (i związane z nim patenty) popadły w zapomnienie. Jednak my w Polsce powinniśmy o tym wynalazku przypominać, ponieważ we wniosku patentowym z 1925 r. Lilienfeld w pierwszym zdaniu opisu swojego wynalazku przedstawił się jako Polak – i jest to fakt historyczny.

Jest także inny polski akcent w historii tranzystora. Otóż warunkiem wykonania dobrego urządzenia półprzewodnikowego (początkowo tranzystora, ale potem także układu scalonego) było i jest posiadanie idealnego monokryształu półprzewodnika – baz najmniejszych defektów w sieci krystalicznej. Początkowo szukano takich idealnych kryształów w przyrodzie, ale gdy ruszyła masowa produkcja tranzystorów, trzeba było takie doskonałe monokryształy wytwarzać na zamówienie. I tu kluczowa okazała się technologia wynaleziona w 1916 r. przez Polaka, Jana Czochralskiego. Metodą Czochralskiego produkuje się kryształy półprzewodników na całym świecie – i możemy się tym szczycić!

Produkcja tranzystorów

Produkcja tranzystorów stała się w latach 50. i 60. XX w. jednym z wiodącym kierunków rozwoju elektroniki. Również w Polsce podejmowano wysiłki związane z ich produkcją, jakkolwiek nie bez niepowodzeń. Po wynalazku Bardeena i Brattaina Polska była jednym z pierwszych krajów, w którym próbowano produkować tranzystory ostrzowe według ich pomysłu. W 1953 r. powstały pierwsze modele tych tranzystorów mające oznaczenia TP1 – TP3. Były one jednak niestabilne w pracy i nietrwałe, dlatego produkcję zarzucono. Po upowszechnieniu się tranzystorów warstwowych według pomysłu Shockleya podjęto próbę produkcji takich tranzystorów także w Polsce (w 1959 r.). Te eksperymentalne tranzystory miały oznaczenia TC11 – TC15, ale też nie zyskały większej popularności.

Niemniej polscy elektronicy nie zrażali się łatwo i w 1960 r. w firmie Tewa (w Warszawie) rozpoczęto produkcję polskich tranzystorów o oznaczeniach TG1 – TG5 (małej mocy), TG50 – TG55 (średniej mocy) i TG72 (dużej mocy). Na bazie tych tranzystorów powstało sporo udanych wyrobów, m.in. miniaturowy turystyczny odbiornik radiowy o nazwie „Koliber".

W związku z rozpoczęciem produkcji układów półprzewodnikowych w fabryce Tewa krążyła w Polsce anegdota – zapewne nieprawdziwa, ale zabawna. Otóż jak może część czytelników wie, w okresie PRL nadzór nad wszelkimi formami działalności (zwłaszcza produkcyjnej) sprawowali członkowie władz partii komunistycznej o nazwie PZPR. Owi partyjni zwierzchnicy zwykle nie dysponowali profesjonalną wiedzą, ale mieli ogromne prerogatywy – mogli zamknąć fabrykę albo wyrzucić jej dyrektora, praktycznie bez żadnych ograniczeń.

Zgodnie z anegdotą jeden z takich „partyjnych kacyków" przyjechał do Tewy, oglądał laboratoria, produkcję i produkty, ale na koniec odwołał na bok dyrektora i zapytał: