اختراعات مهم تاریخ
ترانزیستور

ترانزیستور

US2524035A
جان باردین,والتر برتین,ویلیام شاکلی

به عقیده بسیاری از مورخین و صاحب‌نظران، ترانزیستور چیزی را برای قرن بیستم به ارمغان آورد که موتور بخار برای قرن نوزدهم ارائه داد. اختراع ترانزیستور، نقطه عطفی در صنعت الکترونیک بود و به تعبیری می‌توان گفت که راه را برای توسعه این صنعت گشود. بعد از اختراع ترانزیستور، پیشرفت در فناوری سرعت بیش‌تری به خود گرفت که نمونه بارز آن را می‌توان در توسعه رایانه‌ها و ربات‌ها دید. جایزه نوبل، به مخترعین این المان کوچک الکتریکی، به‌پاس دستاورد بزرگ آن‌ها برای قرن بیستم و به عقیده برخی، مهم‌ترین اختراع این قرن تعلق گرفت.

ترانزیستور، دو کار عمده تقویت و سوئیچ یا قطع و وصل سیگنال‌ها را انجام می‌دهد. پیچیده‌ترین المان‌های الکتریکی، همچون مدارات مجتمع، از گردهمایی میلیون‌ها ترانزیستور ساخته‌شده‌اند. تقویت سیگنال، کاربردی بود که ترانزیستور بدان جهت توسعه یافت؛ اما بعدها از آن در مدارات دیجیتال و برای تولید صفر و یک نیز استفاده گردید. با توسعه صنعت الکترونیک و در ترکیب با سایر المان‌ها، کاربردهای وسیع دیگری مانند تثبیت‌کننده و... را نیز، در مدارات پیدا نمود. قطعاً اغراق نیست اگر گفته شود که ما در زندگی روزانه خود، از میلیاردها ترانزیستور استفاده می‌کنیم. ترانزیستور، یکی از اجزای کلیدی طیف وسیعی از دستگاه‌ها و وسایلی است که امروزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم؛ از لوازم برقی خانگی گرفته تا سیستم‌های الکتریکی خودرو و همچنین چیپ‌های رایانه‌ها و گوشی‌های همراه، همگی از تجمع تعداد زیادی ترانزیستور ساخته‌شده‌اند.

اگر جریان الکتریکی را همانند جریان آب در نظر بگیریم، ترانزیستور عملکردی همانند شیر آب خواهد داشت. این المان، دارای سه ‌پایه، با نام‌های بیس، کلکتور و امیتر است. عملکرد بیس، همانند دسته شیر است و کلکتور همانند لوله‌ای است که آب را وارد شیر می‌کند و در نهایت، امیتر همانند دهانه شیر است که آب از آن خارج می‌شود. با اعمال نیروی اندک به دسته شیر و چرخاندن آن، می‌توانیم جریان قوی آب را کنترل کنیم. این آب از میان لوله جاری‌شده و از دهانه شیر خارج می‌شود. چرخاندن مختصر دسته می‌تواند باعث افزایش شدید نرخ خروج آب از شیر شود. اگر به‌طور کامل بسته شود، هیچ آبی جاری نمی‌شود و اگر کامل باز باشد، آب با حداکثر سرعت ممکن جاری می‌شود. پایه بیس در ترانزیستور، جریان عبوری از کلکتور به امیتر را کنترل می‌کند و این جریان، متناسب با جریان بیس خواهد بود. از طرفی، قطع و وصل کردن کامل این جریان، به‌عنوان تولید صفر و یک خواهد بود که اساس مفاهیم و مدارهای دیجیتال است.

البته تا قبل از اختراع ترانزیستور، این مهم در مدارهای الکترونیکی با استفاده از لامپ‌های خلأ انجام می‌گرفت. لامپ خلأ، بسیار حجیم بود و انرژی الکتریکی زیادی مصرف می‌کرد که در نهایت، تولید حرارت بسیار زیادی را به دنبال داشت. همین موضوع، خود باعث کاهش عمر مفید این لامپ‌ها می‌شد. در حقیقت، لامپ‌های خلأ قابلیت اطمینان بسیاری پایینی داشتند. تمام این معایب، قطعاً مانعی بزرگی بر سر راه صنعت الکترونیک بود. کار کردن سی میلیارد لامپ خلأ در کنار هم، امری دور از تصور است؛ درحالی‌که این اتفاق در تراشه‌های امروزی، در سطحی به‌اندازه یک ‌بندانگشت اتفاق می‌افتد. در این لامپ‌ها، چندین پایه فلزی وجود داشت که با اعمال ولتاژ به آن‌ها و داغ شدن این پایه‌ها، الکترون از یک پایه به پایه دیگر انتقال می‌یافت. در واقع، انتقال الکترون به‌واسطه داغ شدن فلز، سازوکاری بود که در لامپ‌های خلأ برای تقویت و سوئیچ استفاده می‌گردید. با این وجود، فرایند داغ شدن لامپ خلأ نیز زمان‌بر بود. در رایانه‌های نسل اول، از لامپ‌های خلأ استفاده می‌شد. این رایانه‌ها، علاوه بر اشغال فضای بسیار زیاد و توان محاسباتی بسیار پایین، با توجه به قابلیت اطمینان پایین لامپ‌های خلأ، نیاز به نگهداری و تعمیر مستمر داشتند؛ چیزی که در رابطه با رایانه‌های امروزی بی‌معنی است.

 

 

اولین ایده و پتنت مربوط به ترانزیستور، به فیزیکدانی آلمانی به نام جولیوس لیلینفلد «Julius Lilienfeld» تعلق دارد. طرح لیلنفیلد، مربوط به ترانزیستوری می‌شد که امروزه به ترانزیستورهای اثر میدانی شناخته می‌شود و ماده نیمه‌هادی که برای ساخت آن در نظر گرفته‌شده بود، سولفید مس بود. وی سال‌ها بر روی ایده ترانزیستور کار کرد و بعد از مهاجرت به آمریکا و ادامه مطالعات خود، در اکتبر سال ۱۹۲۶ میلادی، درخواست ثبت اختراعی با عنوان «روش و وسیله‌ای برای کنترل جریان الکتریکی»، به دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا «USPTO» ارائه نمود و در ژانویه سال ۱۹۳۰، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US1745175A» گردید. لیلینفلد به‌عنوان مخترع ترانزیستور شناخته نمی‌شود و هیچ‌گاه از او تقدیری که درخور آن بود، انجام نگرفت. دلیل این موضوع، این است که وی هیچ‌گاه نمونه واقعی و اولیه‌ای برای ترانزیستور اثر میدانی نساخت. در برخی منابع، دلیل این موضوع را عدم توسعه مواد نیمه‌هادی مورد نیاز برای ساخت ترانزیستور در آن سال‌ها، دانسته‌اند. از طرف دیگر، لیلینفلد بعد از ثبت پتنت برای ایده خود، آن را در مجلات یا محافل علمی مطرح نکرد. با توجه به همه دلایل ذکر شده، لیلینفلد به عنوان مخترع ترانزیستور شناخته نشده و در عوض، ویلیام شاکلی «Wiliam Shockley»، جان باردین «John Bardeen» و والتر برتین «Walter Brattain»، به عنوان مخترعین آن شناخته می‌شوند. شایان ذکر است که اختراع ترانزیستور توسط این سه نفر، ماجرای پرفرازونشیبی داشت.

شاکلی، دوران کودکی خوبی نداشته و فردی بسیار تندخو بود که همواره اطرافیان خود را آزرده می‌کرد. وی پس از مهاجرت به آمریکا و دریافت دکتری خود در سال ۱۹۳۶، در آزمایشگاه تلفن بل متعلق به شرکت مخابرات آمریکا «AT&T»، مشغول به کار شد. هدایت تیم تحقیقاتی این آزمایشگاه در زمینه نیمه‌هادی‌ها، بر عهده شاکلی گذاشته شد. هدف این تیم، توسعه دستگاه تقویت‌کننده بر پایه مواد نیمه‌هادی بود. شرکت مخابراتی، به دلیل مشکلات جدی در مخابرات راه دور، توجهی ویژه به توسعه تقویت‌کننده با استفاده از نیمه‌هادی‌ها معطوف کرده بود. در تلفن‌ها، صدا به سیگنال الکترونیکی تبدیل می‌شود و از طریق سیم‌های مسی انتقال می‌یابد. سیگنال‌هایی که چندین کیلومتر را طی کنند، به‌صورت واضح دریافت می‌شوند؛ ولی در مخابرات راه دور در این کشور، سیگنال‌ها تا ۸۰۰۰ کیلومتر را طی می‌کردند و این موضوع، باعث می‌شد که قدرت خود را از دست بدهند و نیاز بود که در فاصله‌های مشخصی دوباره تقویت شوند. اگر چنین تقویت‌کننده‌هایی وجود داشته باشد، سیگنال را می‌توان تا هر فاصله‌ای ارسال نمود. در آن سال‌ها، از لامپ‌های خلأ بدین منظور استفاده می‌شد؛ ولی همان‌طوری که گفته شد، لامپ‌های خلأ معایب فراوانی داشتند که عمده‌ترین آن‌ها برای شرکت مخابراتی، قابلیت اطمینان بسیار پایین آن‌ها و مصرف زیاد انرژی بود. این شرکت، بدین نتیجه رسیده بود که باید تقویت‌کننده‌ای با کارایی و قابلیت اطمینان بالا بسازد و راه‌حل آن را در مواد نیمه‌هادی که طی آن سال‌ها، در حال توسعه بود و هر روز خواص جدیدی از آن‌ها کشف می‌شد، می‌دید.

باردین و برتین، زیر نظر شاکلی به تحقیقات در این خصوص پرداختند. ولی همان‌طوری که گفته ‌شد، شاکلی فردی بسیار تندخو بود و فردی نبود که بتواند یک تیم را مدیریت نماید. زمانی‌که تحقیقات به نتیجه نهایی نزدیک شده بود، شاکلی بیان کرد که پتنت این اختراع، باید تنها به نام وی ثبت شود. وی عقیده داشت که پتنت مشترک، چیزی بی‌معنی است و ایده یک اختراع، می‌تواند فقط به یک نفر تعلق داشته و سایر افراد، تنها خود را به اختراع چسبانده‌اند! علی‌رغم این‌که مدیر تیم بود، وقت زیادی را به‌تنهایی و برای توسعه ایده خود صرف می‌کرد. طی سال‌های ۱۹۴۶ و ۱۹۴۷، باردین و برتین بدون کمک شاکلی و باپشتکار فراوان خود، به تحقیقاتشان ادامه دادند و در نهایت، توانستند اولین ترانزیستور ژرمانیومی را بسازند و نتایج کار خود را به مدیریت آزمایشگاه ارائه دادند. از طرفی، شاکلی نیز ایده دیگری برای ترانزیستور مطرح نمود. مدیریت بل، به علت این‌که شاکلی مدیر تیم تحقیقاتی بود و به عقیده وی، سخت‌کوش‌تر از همه بود، از وی همواره حمایت می‌کرد. وکیل بل، به تنظیم درخواست برای این دو اختراع پرداخت. ولی مشکلی وجود داشت و درخواست‌های متعدد شاکلی، رد شدند. ایده شاکلی، دقیقاً مشابه با ایده لیلینفلد و پتنت او بود که مربوط به تقریباً بیست سال قبل می‌شد؛ اما ترانزیستوری که باردین و برتین ساخته بودند، کاملاً متفاوت بود؛ به‌طوری‌که در نهایت، در سوم اکتبر سال ۱۹۵۰، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US2524035A» شده و اولین ترانزیستور تماس نقطه‌ای، معرفی گردید. همین موضوع عصبانیت و اختلاف شاکلی با این دو نفر را بیش‌تر کرد.

شاکلی که دوباره به تحقیق در خلوت خود روی آورده بود، چند روز بعد از پذیرش درخواست برتین و باردین، یک ترانزیستور پیوندی ساخت که کاملاً متفاوت با چیزی بود که این دو توسعه داده بودند و با اختلاف زمالنی بسیار کمی از ارائه درخواست این دو، درخواستی به ثبت رسانید که آن هم در اکتبر سال ۱۹۵۰، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US2569347A» گردید. ثبت این اختراعات در تابستان سال ۱۹۴۸، قبل از رسانه‌ای کردن ساخت ترانزیستور توسط شرکت بل صورت گرفته بود. حال این شرکت با چالش دیگری مواجه شده بود که چه کسی را به‌عنوان مخترع ترانزیستور معرفی نماید. از یک طرف، برتین و باردین اولین ترانزیستور را بدون همکاری شاکلی ساخته بودند و از طرف دیگر، شاکلی مدیر تیم بود و وجهه خوبی نداشت که نام وی در پتنت نیامده باشد. تصمیم مدیریت این شد که در تمامی عکس‌هایی که از اولین مخترعین ترانزیستور گرفته می‌شود، شاکلی باید حضور داشته باشد و وی سخنگوی تیم در مراسم‌های مختلف خواهد بود. باردین و برتین، این موضوع را با اکراه پذیرفتند و همین موضوع، باعث شده است که علی‌رغم وجود دو پتنت جداگانه، این سه نفر به‌عنوان اولین مخترعین ترانزیستور شناخته شوند.

اختلاف این سه نفر، درنهایت باعث از هم پاشیدن تیم تحقیقاتی شد و هرکدام مسیر دیگری در پیش گرفتند. در سال ۱۹۵۵، شاکلی آزمایشگاه بل را ترک کرد و شرکت نیمه‌هادی شاکلی، اولین کارخانه در دره سیلیکون را تأسیس نمود. اما فردی با ویژگی‌های اخلاقی او و کسی که توانایی مدیریت یک تیم سه نفره را نداشت، قطعاً نمی‌توانست یک کارخانه را مدیریت کند. می‌توان گفت که اولین شرکت دره سیلیکون، بدترین شرکت این منطقه نیز بوده است. بعد از این‌که کارکنان شرکت را ترک کردند و کار آن متوقف شد، شاکلی خود را وقف محیط آکادمیک نمود و در دانشگاه استنفورد، به تدریس مشغول شد. این سه مخترع بعد از مدت‌های مدید، در سال ۱۹۵۶ برای دریافت جایزه نوبل در فیزیک، گرد هم آمدند. البته وکیل آزمایشگاه بل، بیان داشته که در این مدت، شاکلی بارها به وی مراجعه نموده بود و گفته بود که می‌خواهد پتنت برتین و باردین را لغو نماید. شاکلی می‌گفت که یک همپوشانی میان پتنت این دو نفر و پتنت خودش وجود دارد. یکی از تصاویر موجود در پتنت‌های اولیه او، نشان می‌دهد که ایده ترانزیستور نقطه اتصالی را بسیار پیش‌تر از آن دو داشته است؛ اما شاکلی هیچ‌گاه نتوانست اثبات کند که تحقیقات او موفقیت‌آمیز بوده است. شاکلی پس از بازنشستگی از دانشگاه، در ۷۹ سالگی درگذشت؛ درحالی‌که فرزندان و معدود دوستانی که داشت، بعدها توسط جراید از این موضوع اطلاع پیدا کردند!

گوردون مور «Gordon Moore» و روبرت نویس «Robert Noyce»، از کارکنان شاکلی، بعد از ترک شرکت وی، شرکت خود یعنی اینتل را در زمینه نیمه‌هادی‌ها در منطقه دره سیلیکون تأسیس نمودند. شرکتی که بعدها به یکی از غول‌های فناوری و صنعت نیمه‌هادی بدل شد. باردین نیز به دانشگاه ایلنوز پیوست و در سال ۱۹۷۲، به‌واسطه تحقیقات در زمینه ابررسانایی، برای دومین بار جایزه نوبل را دریافت نمود و در زمره معدود افرادی قرار گرفت که دو بار این جایزه را از آن خود نموده است.