Keď sa povie tranzistor, väčšina ľudí si predstaví prenosné rádio v neprehliadnuteľnom dizajne 60. rokov. To je perfektný príklad synekdochy, jazykovej figúry používajúcej názov časti na označenie celku. Tranzistor v skutočnosti nie je rádio, ale súčiastka vo vnútri, ktorá umožnila jeho konštrukciu. A nielen ju.
Umožnila vzniknúť všetkej modernej elektronike. Práve teraz máte pravdepodobne niekoľko desiatok miliárd tranzistorov na dosah ruky – vo svojom telefóne a počítači. Všetko sa to začalo pred 75 rokmi, v decembri 1947.
Vodič, nevodič, polovodič
Niektoré látky vedú elektrický prúd, iné nie. K vodičom patria všetky kovy, k nevodičom sklo, drevo, keramika či väčšina plastických hmôt (i keď pozor, dnes sa bežne vyrábajú aj plasty, ktoré vedú elektrinu).
Treťou kategóriou sú polovodiče, teda „niečo medzi“. V zásade sú nevodivé, dá sa im však rôznymi spôsobmi – napríklad zahriatím – pomôcť, aby si to rozmysleli a prúd viedli. K typickým polovodičom patria kremík a germánium.
O ich existencii sa vie od 19. storočia, pretože jedna z prvých vecí, ktorú vedci s elektrinou skúšali, pochopiteľne, bola púšťať prúd do najrôznejších materiálov a pozorovať, čo sa stane. Vznikol tak bohatý katalóg prekvapivých javov a tiež jedna prakticky použiteľná súčiastka: keď ku kryštálu galenitu priložíte veľmi tenký volfrámový drôtik, vznikne hrotová elektróda – čo je vlastne primitívna polovodičová dióda.
Používala sa v prvej polovici 20. storočia v lacných amatérskych rádioprijímačoch zvaných kryštálka. Kryštál s drôtikom plnil funkciu demodulátora, odstraňoval zo signálu zachyteného anténou nosnú vlnu a ponechával len vlnenie zodpovedajúce vysielanému zvuku.
To sa potom púšťalo do slúchadiel. Posluch bol nekvalitný, ale zariadenie stálo pár drobných. Bola to pekná hračka a najzaujímavejšie na nej bolo, že ani najlepší fyzici tej doby dlho nevedeli, prečo funguje.
Úplné vysvetlenie elektrickej vodivosti poskytla až kvantová teória. Prúd je pohyb elektrónov. Kvantovými výpočtami sa dá zdôvodniť, prečo sa v niektorých látkach elektróny pohybujú ľahko a v iných nie. Rozhoduje o tom jednak počet a usporiadanie elektrónov v atóme, tak aj kryštalická štruktúra látky.
Dnes sa táto teória vodivostných pásov vyučuje v prvom ročníku technických vysokých škôl. V dobe, keď vznikla – v 20. a 30. rokoch 20. storočia -, ju, samozrejme, poznal málokto a ešte menej ľudí chápalo jej praktickú využiteľnosť.
K výnimkám patril William Shockley, vedec, ktorého meno sa dnes uvádza len s veľkými rozpakmi.
Ako sa zbaviť elektrónky
„Rozumel všetkému okrem ľudí,“ povedal o ňom jeho súčasník Charles Townes, iný veľký americký fyzik. Shockley bol nepopierateľný vedecký génius, navyše mal praktický pohľad na svet a podnikateľský talent.
Okrem toho bol neznesiteľný človek, neschopný manažér, katastrofálny otec, priaznivec eugeniky a rasista. A tiež získal Nobelovu cenu – práve za vynález tranzistora, ktorého autorstvo je však veľmi komplikovaná záležitosť.
Shockley sa narodil v roku 1910. Študoval na Kalifornskom technologickom inštitúte a na MIT v dobe, keď sa kvantová teória formovala a spresňovala, keď profesori prednášali o svojich vlastných najnovších objavoch, nie podľa učebníc, a keď bola bystrá myseľ dôležitejšia než zásluhy a predchádzajúce skúsenosti.
A bystrú myseľ Shockey rozhodne mal. Po doktoráte na MIT nastúpil do Bellových laboratórií v New Jersey, popredného výskumného centra, kde výskum polovodičov patril k jeho hlavným úlohám.
Prerušila ho vojna. Počas nej Shockley celkom zmenil svoje zameranie. Venoval sa návrhom optimálnych stratégií na ochranu atlantických konvojov a ich boj s ponorkami. Neskôr podobným spôsobom skúmal účinnosť leteckého bombardovania.
Boli to viac-menej organizačné záležitosti (hoci s využitím matematickej štatistiky), nie fyzika – a boli dôležité. Za výcvikový program pre pilotov B-29, ktorých učil správne vyhodnocovať dáta z radarov, dostal Medailu za zásluhy – vtedy najvyššie americké vyznamenanie pre civilistu.
Po vojne sa vrátil do Bellových laboratórií. Cieľom jeho skupiny bolo zostrojiť polovodičový zosilňovač a prepínač, náhradu za elektrónku, základnú súčiastku mnohých vtedajších zariadení od rádia až po prvý počítať ENIAC.
Elektrónka vyzerá ako žiarovka, do ktorej niekto primontoval pár vecí naviac: je to sklenená banka s niekoľkými elektrickými vývodmi. Vo vnútri je vákuum. Dnes nájdete elektrónky najčastejšie v špeciálnych vedeckých a lekárskych prístrojoch, v rádiových vysielačoch a tiež v každej mikrovlnnej rúre – jej hlavná časť sa volá magnetrón a je to elektrónka vyžarujúca mikrovlnné žiarenie.
Veľmi špeciálnou a zložitou elektrónkou boli obrazovky starých televízorov a počítačových monitorov, známe ako CRT (cathode ray tube). V prvej polovici 20. storočia bolo hlavnou funkciou elektrónok zosilňovanie signálu.
Z hľadiska Bellových laboratórií – výskumného centra spoločnosti AT&T, vtedajšieho amerického monopolného operátora telefonickej siete – boli polovodičové súčiastky dôležité hlavne vzhľadom na medzimestské ústredne.
Všetci Američania chceli mať telefón, firma AT&T im ho, samozrejme, s najväčšou radosťou chcela dopriať a výdatne si účtovať za jeho prevádzku – lenže úzkym hrdlom boli ústredne. Diaľkové hovory sa vtedy spájali ručne, miestne pomocou elektromechanických a elektrónkových zariadení. Prevádzka siete bola tým pádom drahá, pomalá a jej rozširovanie narážalo na kapacitné medze.
Shockley a dvaja jeho kľúčoví spolupracovníci Walter Brattain a John Bardeen hľadali rôzne spôsoby, ako elektrónku nahradiť polovodičom. Nebyť vojny, zrejme by k výsledku dospeli už okolo roku 1940.
Základ všetkého, čo vie počítač
Činnosť tranzistora si vysvetlíme na jeho modernej podobe, ktorej sa hovorí FET, čo znamená Field-Effect Transistor – tranzistor riadený elektrickým poľom. Je tvorený polovodičom B (báza) s dvoma vývodmi. Nazývajú sa S a D (source a drain, teda prítok a odtok, prípadne tiež emitor a kolektor).
Prúd tečie od S k D. Medzi nimi je kovová doštička, ktorá sa polovodiča nedotýka, je od neho izolovaná (obvykle vrstvou oxidovaného kremíka), len sa nachádza v jeho blízkosti. Tej sa hovorí G (gate, po slovensky hradlo).
Na G sa privádza malé premenlivé napätie. Tým sa pridávajú elektróny do polovodiča alebo sa z neho, naopak, odsávajú. Prúd tečúci od S do D sa tak mení v rovnakom rytme ako napätie na G, tranzistor tak zosilňuje signál. Často sa používa len ako dvojstavový spínač: signálom na G buď prúd medzi S a D zapneme, alebo vypneme.
To má veľký význam v digitálnej technike, kde zapnuté zodpovedá jednotke a vypnuté nule. Vhodným prepojením niekoľkých tranzistorov sa dajú vytvoriť tri logické funkcie: NOT (z jednotky na vstupe robí nulu na výstupe či naopak), AND (má dva vstupy a jeden výstup, na výstupe je jednotka len vtedy, ak je tiež na oboch vstupoch) a nakoniec OR (na výstupe je jednotka, ak je aspoň na jednom z dvoch vstupov).
Z týchto troch funkcií sa dá poskladať všetko, čo dokážu počítače. Dajú sa z nich zostaviť obvody, ktoré sčítavajú a násobia. Iné porovnávajú, ktoré z dvoch čísel je väčšie. Viac stavebných blokov netreba.
Fungovanie celého internetu, spracovanie videa, pôsobivé výkony umelej inteligencie, skrátka všetko, čo dokážu počítače, sa v konečných dôsledkoch skladá len z jednotiek, núl a troch logických funkcií. Tvorcovia prvého tranzistora otvorili dvere do dnešného digitálneho sveta.
Cena úspechu
William Shockley spočiatku uvažoval o tranzistore zhruba v tej podobe, akú sme tu opísali. Nepodarilo sa mu však vytvoriť fungujúcu súčiastku. Jeho kolegovia Bardeen a Brattain sa rozhodli pre odlišnú konštrukciu, ktorá neskôr získala názov hrotový tranzistor.
Už dávno sa nepoužíva, ale konštrukčne bola jednoduchšia: v laboratórnom prevedení pozostávala z dvoch tenkých lístkov zlata pritlačených pružinou ku kusu germánia. Malý prúd privedený na jeden z kovových kontaktov viedol k vzniku väčšieho prúdu prechádzajúceho naprieč germániom. Bardeenovi a Brattainovi sa to po prvý raz podarilo 16. decembra 1947.
Technickejšie vysvetlenie funkcie prvého tranzistora spočíva v tom, že vodivosť polovodičových materiálov je možné ovplyvniť pomocou prímesí.
Keď do kryštálu čistého kremíka alebo germánia pridáme malé množstvo fosforu, nastane v ňom prebytok elektrónov. Atóm fosforu sa zaradí do kryštálovej mriežky, ale elektrón mu bude vystávať. Nebude mať svoje miesto – ako pri tej spoločenskej hre, kde je v miestnosti o jednu osobu viac než stoličiek.
A práve ako pri tej hre sa prebytočný elektrón pokúsi zaujať niektoré z obsadených miest. Tým vyhodí zo štruktúry – zo „stoličky“ – iný elektrón. Malé množstvo prebytočných elektrónov spôsobí, že sa ich veľa dá do pohybu.
Dá sa to zariadiť aj opačne. Do kremíka či germánia sa pridá prvok, ktorému oproti nim jeden väzobný elektrón chýba, napríklad bór alebo gálium. V našej hre potom máme viac stoličiek než osôb. Keď si budú hráči presadať, bude to vyzerať, ako keby sa miestnosťou pohybovala opustená stolička – každú chvíľu je inde, hoci v skutočnosti stoličkami nehýbeme, mení sa len ich obsadenie.
Prázdnemu miestu po elektróne, ktoré sa takto zdanlivo pohybuje, sa hovorí elektrónová diera (alebo len diera). Dá sa považovať za nosič kladného náboja, pretože elektrón je nosičom náboja záporného. Keď zapojíme k polovodiču zdroj napätia, budú sa elektróny pohybovať ku kladnému pólu zdroja, diery k zápornému.
Polovodič dotovaný päťmocným prvkom, v ktorom je tým pádom prebytok elektrónov, sa nazýva polovodič typu N (ako negatívny – pretože elektrón má záporný náboj). Polovodič dotovaný trojmocným prvkom, teda s nedostatkom elektrónov, je typu P (ako pozitívny – diera má kladný náboj).
Bardeen a Brattain použili germániový kryštál typu N, na ktorého povrchu bola vytvorená tenká vrstva typu P. K nej priložili svoje zlaté elektródy.
Prechod medzi P- a N-oblasťou je pre elektrický prúd priechodný len v jednom smere: keď kladný pól zdroja pripojíme k P a záporný k N. V opačnom smere prúd za normálnych okolností neprechádza. (To je princíp jednoduchšej súčiastky, polovodičovej diódy.)
Slabý riadiaci prúd pripojili Bardeen a Brattain v tomto priepustnom smere. Ten zaplavil svojimi elektrónmi celú povrchovú vrstvu P, a tým ju urobil priechodnou aj pre silný riadený prúd, zapojený opačne. Zmena slabého prúdu vyvolá okamžitú zmenu silného. A to je presne to, o čo sa veda roky usilovala.
Bardeen a Brattain teda zaznamenali obrovský úspech, lenže bez prispenia svojho nevrlého a geniálneho šéfa, čo bol problém pre všetkých troch zúčastnených. Shockley im blahoželal, ale potom sa na štrnásť dní izoloval od sveta.
A vymyslel odlišnú konštrukciu – bipolárny rovinný tranzistor kombinujúci tri polovodičové vrstvy, buď PNP, alebo NPN. Mal lepšie elektrické vlastnosti a hlavne sa lepšie hodil na masovú výrobu.
Za vynálezcov tranzistora sa dnes považuje celá trojica vedcov. Otázka autorstva prešla komplikovaným vývojom. Shockley pre seba požadoval väčší podiel zásluh než tretinový, i keď je potrebné priznať, že spočiatku poctivo opravoval novinárov, ktorí ho mylne označovali za jediného autora.
Potom ho však podráždil návrh jedného z viacerých patentov na tranzistorovú technológiu, kde jeho meno chýbalo. Prihláška mala chyby, právnici a Bellove laboratóriá ju nikdy ani nepodali, ale zhoršila vzťahy. Keď si Shockley, Brattain a Bardeen v roku 1956 preberali Nobelovu cenu za fyziku, už neboli ani spolupracovníkmi, ani priateľmi.
Osmička zradcov
Bardeen ani Brattain sa na ďalšom vývoji tranzistorov nijako nepodieľali a dá sa len hádať, či v tom hrali väčšiu rolu ich iné vedecké záujmy alebo nechuť vychádzať so Shockleym.
John Bardeen odišiel na Illinoiskú univerzitu, zameral sa na supravodivosť a v roku 1972 získal – dodnes ako jediný – druhý raz Nobelovu cenu za fyziku. Walter Brattain zostal v Bellových laboratóriách, ale venoval sa iným oblastiam.
William Shockley odišiel učiť na Kalifornský technologický inštitút. V roku 1956 založil firmu Shockley Semiconductor Laboratory, kde chcel svoje znalosti novej technológie využiť komerčne.
Firmu po necelom roku opustila skupina najschopnejších inžinierov, ktorá vošla do dejín biznisu ako Traitorous Eight – „zradcovská osmička“. Spoločne založili nielen spoločnosť Fairchild Semiconductor, ale v podstate celé Silicon Valley – oblasť obrovskej koncentrácie firiem, kapitálu a znalostí zameraných na digitálne technológie.
V roku 1958 v inej časti Ameriky – v Dallase – pracoval mladý inžinier menom Jack Kilby vo firme Texas Instruments, ktorá v tom čase skúmala, ako využiť tranzistory vo svojej tradičnej produkcii, v meracích prístrojoch pre naftárov. Kilbymu napadlo, že keď potrebuje prepojiť viac tranzistorov, nemusí ich mať ako oddelené súčiastky. Môže ich umiestniť na spoločnú kremíkovú doštičku.
Vzniknutý celok je výrobne jednoduchší a prevádzkovo spoľahlivejší. Kilby svojmu vynálezu pôvodne hovoril „integrovaný obvod“, čo môžete občas započuť dodnes, viac sa však ujal kratší a údernejší názov: čip.
Otrepane povedané, zvyšok je história. Dnešné fotolitograficky vyrábané čipy obsahujú miliardy tranzistorov – napríklad čip Apple A16 Bionic, procesor najnovších iPhonov, ich má 16 miliárd na kremíkovej doštičke v rozmeroch 11 x 11 milimetrov. Čipy sú lacné, všadeprítomné a patria k hlavným faktorom technického pokroku. Na ich počiatku stál prelomový vynález tranzistora.
Po neúspechu v podnikaní opustil výskum polovodičov aj William Shockley. Stal sa profesorom na Stanforde, kde začal rozvíjať svojrázne teórie o vzťahu inteligencie, genetiky a hodnoty človeka. Verejne napríklad navrhol, že by všetci ľudia s IQ nižším ako 100 mali byť finančne motivovaní, aby sa dali sterilizovať.
Publikoval štúdie, v ktorých sa snažil dokázať intelektuálnu nadradenosť bielej rasy nad čiernou. Už v 60. rokoch, keď sa istá miera rasizmu v USA stále ešte bežne vyskytovala, si tým spôsobil veľa hanby a viac-menej sa dostal na okraj spoločnosti.
Postupne ho opustila väčšina priateľov aj jeho deti. Po jeho boku až do konca stála len jeho druhá manželka, pôvodným povolaním zdravotná sestra na psychiatrii. Zomrel nešťastný, zatrpknutý, odsudzovaný a zabudnutý – za čo si mohol sám.
Napriek tomu patrí do veľmi úzkej skupiny prevratných tvorcov našej súčasnosti a budúcnosti.