Den utrolige krympende transistor

På Bell Telephone Laboratories den 16. december 1947 fastgjorde fysikerne John Bardeen og Walter Brattain tre spinkle metalkontakter til et tyndt lag af grundstoffet germanium, tilførte et elektrisk signal og opdagede, at signalet, der kom fra deres enhed, var næsten hundrede gange stærkere end den, der gik ind. Afsløret en uge senere for Bell Labs ledere var den nye solid-state forstærker - snart døbt en transistor - en storslået julegave, med forskergruppeleder William Shockleys ord, som kun en måned senere undfangede en forbedret version, der efterhånden viste sig langt lettere at fremstille.

Halvtreds år senere er transistorer skrumpet så dramatisk, at de nu er usynlige for det blotte øje. Men som de afgørende ingredienser i hver mikrochip, der fungerer som mikroskopiske pumper og ventiler, der regulerer strømmen af ​​elektrisk strøm, fortsætter disse små enheder med at have en enorm indflydelse på næsten alle aspekter af det moderne liv.

Denne historie var en del af vores udgave fra november 1997

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det var tydeligt på det tidspunkt, at Bardeen og Brattains uhåndterlige ting repræsenterede et gennembrud inden for elektronik. Men dets opfindere tænkte på det hovedsageligt som en erstatning for vakuumrør, som blev brugt som forstærkere og switches i telefonudstyr, radioer og de fleste andre elektroniske enheder. Shockley havde måske den bedste intuition for, hvad der skulle komme. Der er for nylig blevet brugt en del tanker på elektroniske hjerner eller computermaskiner, spekulerede han i december 1949. Det forekommer mig, at i disse robothjerner er transistoren den ideelle nervecelle.

Den fysiske proces, som Bardeen, Brattain og Shockley opdagede, ligger nu i hjertet af en elektronikindustri, der genererer et verdensomspændende salg på mere end 1 billion USD årligt. Transistorens største værdi er, at den kan miniaturiseres så drastisk: dens grundlæggende driftsprincipper er i det væsentlige forblevet uændrede, da dens lineære dimensioner er skrumpet mere end 10.000 gange. Derimod havde vakuumrør absolut ingen udsigter til den form for forbløffende miniaturisering, der er sket i solid-state enheder. Og rørenes andre problemer - de var skæve, udbrændte for ofte, genererede for meget varme og forbrugte for meget strøm, viste sig at være fuldstændig uoverkommelige.

De første transistorer var typisk en centimeter lange; i slutningen af ​​1950'erne blev de målt i millimeter. Med opfindelsen af ​​det integrerede kredsløb i 1958 var scenen sat for en konstant parade af yderligere innovationer, der reducerede størrelsen af ​​transistorer til submikronniveauer - mindre end en milliontedel af en meter. I dag er transistoren ikke meget mere end et abstrakt fysisk princip, der er præget utallige gange på smalle silicium-millioner af mikroskopiske krusninger på et glitrende krystalhav. Som Intels medstifter Gordon Moore for nylig bemærkede, laves der flere transistorer hvert år end regndråber, der falder på Californien, og det koster mindre at producere en enkelt karakter i en avis.

Synergien mellem en ny komponent og en ny applikation genererede en eksplosiv vækst af begge, observerede Moores mangeårige partner Robert Noyce, der reflekterede over, hvordan transistoren og computeren voksede op sammen. Han kom med denne kommentar i 1977, et par år før den personlige computer begyndte at stimulere endnu en kommerciel eksplosion baseret på halvledere. Mere end nogen anden faktor er transistorens fantastiske svind i både størrelse og omkostninger, hvad der har gjort det muligt for den gennemsnitlige person at eje og betjene en computer, der er langt mere kraftfuld end noget, de væbnede tjenester eller større virksomheder havde råd til for et par årtier siden. Hvis vi i stedet havde været nødt til at stole på vakuumrør, for eksempel, ville en Pentium-chips regnekraft kræve en maskine så stor som Pentagon.

Og netop det seneste år - som tilfældigvis også er hundredåret for elektronens opdagelse - har der været succesfulde forsøg på at bygge transistorer så små, at de involverer transmission af kun én elektron gennem en kanal, der er mindre end 10 nanometer lang. Hvis denne teknologi nogensinde kan overføres til produktionslinjen, kan endnu en hundrededobling af transistorernes størrelse være på vej.

Sjældne kombinationer

Sagaen om opfindelsen af ​​transistoren hos Bell Labs er en ret velkendt fortælling, der ofte genfortælles, når der opstår spørgsmål om vigtigheden af ​​grundforskning i innovationsprocessen. Meget mindre kendt er historien om den teknologiske udvikling, der fulgte. Det var denne sjældne kombination af grundforskning og grundlæggende teknologisk udvikling, der gjorde moderne transistorer og mikrochips mulige. Få, om nogen, episoder i innovationshistorien kan sammenlignes.

Labs kombinerede en pragmatisk, målorienteret forskningsfilosofi med det, Shockley kaldte respekt for de videnskabelige aspekter af praktiske problemer. Forskningen var styret af det langsigtede mål om at forbedre komponenterne og tjenesterne i Bell System - bedre kontakter, klarere signaler osv. Men inden for den sammenhæng havde forskerne rigelig frihed til at lave grundlæggende forskning i materialers egenskaber. Førende teoretiske fysikere arbejdede skulder ved skulder med førsteklasses eksperimentatorer og nogle af de bedste enhedsudviklingsingeniører i landet. Opfindelsen og udviklingen af ​​transistoren illustrerer dette samspil mellem det praktiske og det videnskabelige, der karakteriserede Bell Labs i dets storhedstid.

Da Shockleys originale ideer til at lave en solid-state forstærker slog fejl, foreslog Bardeen for eksempel en helt anden teori om halvlederadfærd, som han til sidst publicerede i Physical Review. Shockleys felteffekttilgang involverede brugen af ​​eksterne elektriske felter til at inducere et overskud af elektroner nær overfladen af ​​krystallinske materialer såsom silicium; med flere elektroner, der samles der, burde der flyde mere strøm. Eller det troede han. For at redegøre for den tilsyneladende mangel på en sådan effekt, foreslog Bardeen sin teori om overfladetilstande, hvor elektroner bliver fanget på overfladen og blokerer elektriske felter i at trænge ind. Dette var et helt nyt udgangspunkt, der omorienterede gruppens forskningsindsats mod at forstå disse besværlige tilstande. Vi opgav forsøget på at lave en forstærkeranordning, genkaldte Shockley, og koncentrerede os om nye eksperimenter relateret til Bardeens overfladetilstande.

Da Brattain faldt over en rå måde at overvinde denne blokering i november 1947, vendte gruppens opmærksomhed dog næsten øjeblikkeligt tilbage til det praktiske mål at lave en solid-state forstærker. En måned senere opfandt de den første transistor, punktkontakttransistoren, som havde to strimler af guldfolie limet på siderne af en plastikkile, der pressede foliekanterne ind i en germaniumplade. Selvom denne mærkelige dims strakte sig næsten en tomme, fandt den nye fysiske proces, der var ansvarlig for strømforøgelse, sted på kun 2 mils eller 50 mikron, omtrent tykkelsen af ​​et ark papir af germanium mellem metalpunkterne, der rørte ved overfladen. Positivt ladede kvantemekaniske enheder kendt som huller genereret under det ene punkt sivede langs et overfladelag til det andet punkt, hvilket reducerede modstanden af ​​materialet under det og derved forstærkede strømmen, der flyder gennem det.

Under den oplyste ledelse af Mervin Kelly og Jack Morton begyndte Bell Labs snart at hælde ressourcer i at udvikle teknologier for at gøre transistorer kommercielt levedygtige. Det perfektionerede metoder til at rense germanium og silicium og dyrke store krystaller af disse elementer. Inden for et par år tillod disse teknologier Shockley og kolleger at realisere hans idé om en overgangstransistor, som viste sig langt mere pålidelig end Bardeen og Brattains mærkelige enhed og gav sig meget lettere til masseproduktion. I denne type transistor erstatter såkaldte p-n-forbindelser metal-til-halvleder-punktkontakterne; disse overgange dannes mellem to forskellige lag af halvledermateriale imprægneret med forskellige urenheder for at inducere et lille overskud af elektroner eller huller. Denne tilgang viste sig at være afgørende i fremstillingen af ​​de billige, pålidelige transistorer, der begyndte at dukke op i elektriske enheder som radioer og høreapparater i løbet af 1950'erne.

Derudover gjorde Labs disse og andre teknologier let tilgængelige for virksomheder, der var ivrige efter at komme ind i halvlederbranchen. Ved at kombinere dem med et par ekstra innovationer af deres egne, opfandt Noyce og Jack Kilby det integrerede kredsløb hos Fairchild Semiconductor og Texas Instruments mod slutningen af ​​årtiet. Bedre kendt i dag som mikrochips, som nu inkorporerer millioner af transistorer på en enkelt skive silicium, danner disse kredsløb grundlaget for nutidens halvlederindustri til 150 milliarder dollars. Som Morton bemærkede: Nogle gange når du smører dit brød på vand, kommer det tilbage som engles madkage.

Yderligere Evolution

Halvtreds års materialevidenskab og ingeniørkunst har kollapset de dimensioner, der er nødvendige for transistoreffekten, til submikronniveau. Germanium er blevet erstattet af silicium, som opfører sig langt bedre ved høje temperaturer. Diffusion af mikrondybe lag af urenhedsatomer til silicium og dannelse af et glasagtigt, beskyttende oxidlag på det, fotolitografi til ætsning af sarte træk på siliciumoverfladen og dampaflejring af metalkontakter oven på dette glasagtige lag begyndte at tillade masseproduktion af integrerede kredsløb indeholdende mange transistorer og andre solid-state komponenter.

Da Bell Labs endelig bragte Bardeens overfladetilstande under kontrol i 1960, ved dannelse af oxidlaget i et omhyggeligt kontrolleret miljø, vendte Shockleys oprindelige felteffekttilgang tilbage i forgrunden i form af metal-oxid-halvleder-transistorer (MOS), der dominerer branchen i dag. Her påføres et elektrisk felt gennem det isolerende oxidlag ved at lade en lille stribe metal aflejret på overfladen; dette felt styrer strømmen, der flyder i silicium lige under. Små ændringer i den elektriske ladning på strimlen kan have en enorm indflydelse på denne strøm - nogle gange endda blokere den helt.

I 1965 observerede Moore, at antallet af individuelle komponenter på integrerede kredsløb blev fordoblet hvert år. Han ekstrapolerede denne eksponentielle vækst i endnu et årti og kom med en forbløffende fremskrivning: at kredsløbene fra 1975 ville indeholde omkring 65.000 enheder. Nu nedfældet som Moores lov, er hans forudsigelse fortsat med at holde stik i over tre årtier, selvom fordoblingsperioden er vokset til omkring 18 måneder. De mest avancerede chips i dag indeholder millioner af transistorer - hver med typiske dimensioner på mindre end en halv mikron. Og fotolitografiteknikker baseret på ultraviolet lys lover en yderligere størrelsesreduktion til næsten en tiendedel mikron eller 100 nanometer. Chips med milliarder af solid state-komponenter kan snart blive en realitet.

Innovation i dag

Den afgørende lektie at lære af transistor-episoden er, at grundforskning inden for rammerne af en profitmotiveret virksomhed førte til et helt nyt og fænomenalt værdifuldt udgangspunkt for elektronik. Et tæt samspil mellem det praktiske og det videnskabelige førte til opdagelsen og den hurtige udvikling af den fysiske proces med transistorhandling, som kunne miniaturiseres så drastisk.

Men efterkrigstidens Bell Labs var en unik institution, som ville være meget vanskelig - hvis ikke umulig - at replikere i dag. Det, Kelly beskrev som et institut for kreativ teknologi, koncentrerede den intellektuelle energi fra et halvt dusin eventuelle nobelpristagere under taget af et enkelt industrilaboratorium i New Jersey. Men dets moderfirma, AT&T, var i en meget speciel situation: det havde monopol på telefonservice i hele USA. Derfor betalte hun, hver gang nogen ringede langdistanceopkald, i realiteten en grundlæggende forsknings- og teknologiudviklingsskat for at støtte de igangværende projekter på Labs. Til gengæld betragtede mange af de videnskabsmænd og ingeniører, der arbejdede der, sig selv som en del af en national ressource, der havde et ansvar for at tjene den nationale interesse.

I dagens stærkt konkurrenceprægede forretningsklima har de fleste virksomheder ikke råd til forsknings- og udviklingsudgifter, der sandsynligvis ikke vil forbedre deres rentabilitet i årevis. Drevet af profitpres og 18-måneders produktcyklusser har få virksomheder råd til at sammensætte de tværfaglige teams og give dem det brede forskningsrum, som Bell Labs gjorde med sin solid-state gruppe i efterkrigsårene. Og at gøre deres nye teknologier så frit tilgængelige er helt utænkeligt.

Den føderale regering forsøger at hjælpe med at bygge bro mellem videnskab og industri ved at fremme teknologioverførsel og avancerede teknologiprogrammer. Men det er vanskelige forslag, fyldt med alvorlige problemer og politiske uenigheder. I nutidens fragmenterede R&D-miljø fortsætter fysikere ved forskningsuniversiteter og nationale laboratorier med at forfølge forestillede superstrenge og leptoquarks, der ikke har nogen tænkelige praktiske anvendelser; i mellemtiden fokuserer ingeniører hos halvlederfirmaer på at udvikle måder at ætse stadig finere egenskaber på silicium.

Til dels på grund af denne uheldige dikotomi har innovationer svært ved at nå produktionen. Nylige gennembrud såsom fulleren-nanostrukturer og højtemperatur-superledere forbliver laboratoriekuriositeter; sammenlignet med transistoren, som begyndte at dukke op i høreapparater knap fem år efter, at den blev opfundet, halter disse innovationer mod kommercialisering. En mulig løsning kan ligge inden for industrikonsortier - såsom Austins Sematech - der hovedsageligt er rettet mod at udvikle de dybe puljer af ny teknologi, som deres deltagende virksomheder har brug for for at forbedre produktlinjer. Grundforskningsgrupper kan være inkorporeret i sådanne velfinansierede konsortier. På den måde ville de operere midt i et pragmatisk miljø, der også kunne fremme den grundlæggende udvikling, der normalt er nødvendig for at omdanne videnskabelige opdagelser til nyttige produkter.

En anden håbefuld tendens er, at store virksomheder som Microsoft, der har en behagelig andel af eller et virtuelt monopol på deres specifikke marked, igen begynder at se det fornuftige i at investere i forskning. Dette er, hvad der skete ved Xerox' Palo Alto Research Center i løbet af 1970'erne og førte til udviklingen af ​​så ekstremt nyttige informationsteknologier som Ethernet, musen og den grafiske brugergrænseflade. Under ledelse af Bill Gates og Nathan Myhrvold har Microsoft for nylig taget en lignende drejning og afsat hundredvis af millioner til grundlæggende forsknings- og udviklingsprojekter inden for datalogi. Men jeg spekulerer på, hvor meget virksomheden vil dele sine resultater med andre virksomheder.

Uanset hvad, er det vigtigt at anerkende det sande partnerskab, der skal eksistere mellem videnskab og teknologi. Det er ikke videnskab, der bliver til, at teknologi bliver til produkter, hævder Moore i angrebet på Bell Labs' lineære model for industriel udvikling. Det er teknologi, der får videnskaben til at komme med bagved. Men den videnskab, han refererer til, er den snævert anvendte videnskab, der udføres i det meste af industrien i dag - hvorfra få, om nogen, radikalt nye innovationer og udgangspunkter nogensinde vil dukke op. Videnskab og teknologi er som de to sammenflettede polypeptidkæder i et DNA-molekyle. Hver af dem påvirker hinanden i et kompliceret, symbiotisk forhold, der ville blive meget mindre, hvis den ene blev den andens tjenerinde.

Min centrale pointe er, at vi er nødt til at overvinde den fragmenterede natur af nutidens F&U-virksomhed. Det, der karakteriserede efterkrigstidens Bell Labs og førte til opfindelsen og udviklingen af ​​transistoren, var, at hele rækken af ​​talenter, der var nødvendige for revolutionær innovation, var at finde under ét tag, der arbejdede tæt sammen som en velsmurt enhed under en oplyst ledelse, der forstod hvordan sådanne tværfaglige teams havde udviklet radar og atombomben under Anden Verdenskrig. Jeg håber, at vi ikke får brug for endnu en sådan katastrofe for igen at minde os om værdien af ​​samarbejde om forskning og udvikling.

skjule