کلیدی که جهان را روشن کرد؛ داستان تولد ترانزیستور و آغاز عصر دیجیتال

زومیت/ در سال ۱۹۵۰، اختراعی ساده در آزمایشگاه بل، مسیر فناوری را برای همیشه تغییر داد و جهان دیجیتال امروزی را ممکن ساخت.

جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی از آزمایشگاه بل در اکتبر ۱۹۵۰، حق اختراع ترانزیستور را ثبت کردند.

---

بازار

---

اختراع آن‌ها جایگزین تریودهای پرمصرف و ناکارآمد در تلفن‌ها شد و پایه‌ی رایانه‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی مدرن گردید.

اولین ترانزیستور اتصال‌ نقطه‌ای با ژرمانیم در ۱۹۴۷ ساخته شد و پس از آن ترانزیستور پیوندی شاکلی توسعه یافت. این قطعه نیمه‌رسانا جریان را کنترل و تقویت می‌کند و به‌عنوان کلید الکترونیکی کوچک و کم‌مصرف عمل می‌کند.

بعدها ترانزیستور سیلیکونی و مدار مجتمع ساخته شدند و قانون مور رشد سریع تراشه‌ها را پیش‌بینی کرد.

امروزه، با افزایش نیاز هوش مصنوعی، پژوهشگران به رایانه‌های کوانتومی به‌عنوان گام بعدی در محاسبات چشم دوخته‌اند.

در تاریخ سوم اکتبر سال ۱۹۵۰، سه دانشمند از آزمایشگاه بل در ایالت نیوجرسی آمریکا، حق اختراعی را برای وسیله‌ای به نام «عنصر مدار با سه الکترود» دریافت کردند. این اختراع به‌سرعت مسیر علم و فناوری را تغییر داد و آغازگر عصر ترانزیستور و رایانه‌های مدرن شد.

ترانزیستور یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم است. جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی دو سال پیش از دریافت حق اختراع، درخواست ثبت این فناوری را ارائه کرده بودند. آن زمان هنوز هیچ‌کس نمی‌دانست اختراع آن‌ها پایه‌ی تمام وسایل الکترونیکی آینده را شکل خواهد داد.

نسخه‌ای بازسازی‌شده از اولین ترانزیستور کارکردی. در ساخت آن از دو نوار نازک طلا، یک فنر کوچک و قطعه‌ای از ژرمانیم استفاده شده بود. از آن زمان، ترانزیستورها بسیار پیشرفت کرده‌اند و امروزه بعضی از آن‌ها فقط ضخامتی به اندازه‌ی یک اتم دارند.

انگیزه‌ی اولیه‌ی ساخت ترانزیستور بسیار ساده بود. به نوشته‌ی وب‌سایت لایوساینس، شرکت مخابرات AT&T می‌خواست کیفیت و پایداری تماس‌های تلفنی خود را بهبود دهد. در آن دوران، سیگنال‌های تلفنی با استفاده از وسیله‌ای به نام تریود (Triode) تقویت می‌شدند که لوله‌های خلأ بزرگی بودند که از سه بخش اصلی (دو قطب مثبت و منفی و شبکه سیمی در میان آن‌ها) تشکیل می‌شدند. این لوله‌ها برای عبور آزاد الکترون‌ها، داخل محفظه‌ای خلأ قرار داشتند. اما مشکل اینجا بود که تریودها بسیار پرمصرف، بزرگ و داغ‌شونده بودند و در درازمدت کارایی خود را از دست می‌دادند.

به همین دلیل، در دهه‌ی ۱۹۳۰ مِروین کِلی، رئیس آزمایشگاه بل، به‌دنبال جایگزینی بهتر رفت. او به موادی به نام نیمه‌رساناها علاقه‌مند شد؛ موادی که رسانایی آن‌ها بین فلزات (رساناها) و مواد نارسانا قرار دارد. در سال ۱۹۲۵، دانشمندی به نام ژولیوس ادگار لیلینفِلد وسیله‌ای شبیه ترانزیستور را با استفاده از سولفید مس ساخته بود، اما این فناوری به دلیل ناپایداری و درک ناقص از فیزیک نیمه‌رساناها، کارایی چندانی نداشت.

پس از پایان جنگ جهانی دوم، آزمایشگاه بل تصمیم گرفت تمرکز خود را از فناوری‌های نظامی به تحقیق علمی تغییر دهد. در همین زمان، شاکلی مأمور شد تیمی از پژوهشگران را برای جایگزینی تریودها تشکیل دهد. این گروه آزمایش‌های متعددی انجام دادند تا بتوانند ترانزیستوری بسازند که جریان الکتریکی را تقویت کند. یکی از این آزمایش‌ها، فرو بردن سیلیکون داغ در فلاسک بود تا رفتار الکترون‌ها در آن بررسی شود. با وجود این تلاش‌ها، در ابتدا موفق نشدند سیگنالی را که بتواند به‌طور مؤثر تقویت شود، به دست آورند.

سرانجام در سال ۱۹۴۷، والتر براتین و جان باردین تصمیم گرفتند به جای سیلیکون از ژرمانیم استفاده کنند. این تغییر باعث شد فیزیک درون نیمه‌رساناها بهتر درک شود و اولین نمونه‌ی ترانزیستور اتصال نقطه‌ای (Point-Contact Transistor) ساخته شود. در این طراحی، دو نوار نازک طلا توسط فنر کوچکی روی قطعه‌ای از ژرمانیم فشرده می‌شدند. این وسیله ساده قادر بود سیگنال را تا صد برابر تقویت کند، هرچند برای عملکرد صحیح نیاز به تنظیم دقیق تماس‌ها داشت.

یک سال بعد، ویلیام شاکلی با تکمیل این طرح، نوع پیشرفته‌تری به نام ترانزیستور پیوندی (Junction Transistor) را توسعه داد و این مدل درنهایت پایه‌ی تمام ترانزیستورهای مدرن شد و همان طرحی بود که در سال ۱۹۵۰ به ثبت رسید.

لوله‌های خلأ تریود از نیمه‌ی اول قرن بیستم، به ترتیب زمانی از چپ (۱۹۱۸) تا راست (۱۹۴۹) نمایش داده شده‌اند. تریودها بخش مهمی از شبکه‌های تلفن قبل از اختراع ترانزیستور بودند، اما مصرف برق بالایی داشتند، بیش از حد داغ می‌کردند و قابل اعتماد نبودند. این مشکلات باعث شد شرکت AT&T به دنبال جایگزینی برای آن‌ها برود.

اما راز موفقیت این فناوری در چیست؟ در نیمه‌رساناها، وقتی ولتاژی اعمال می‌شود، الکترون‌ها درون ماده حرکت می‌کنند و «حفره‌های مثبت» از خود باقی می‌گذارند. این ویژگی باعث می‌شود بتوان نواحی با بار منفی (N-type) یا مثبت (P-type) در ماده ایجاد کرد. جریان الکتریکی بسته به نوع نیمه‌رسانا، تنها در یک جهت عبور می‌کند. با اتصال سه الکترود به این ماده و کنترل ولتاژ بین آن‌ها، می‌توان جریان را با دقت تقویت یا قطع و وصل کرد؛ درست مانند کلید الکتریکی کوچک اما بسیار سریع.

همین خاصیت «کلیدزنی» بود که دنیای محاسبات را متحول کرد. در نخستین رایانه‌های قرن بیستم، لوله‌های خلأ به‌عنوان کلیدهای روشن و خاموش به کار می‌رفتند، اما بسیار بزرگ و ناکارآمد بودند. ترانزیستور این مشکل را حل کرد: قطعه‌ای کوچک، کم‌مصرف و تقریباً بدون حرارت اضافی.

البته همکاری بین سه مخترع خیلی زود به پایان رسید. شاکلی مدیری سخت‌گیر با رفتاری ناخوشایند بود (و بعدها به‌دلیل دیدگاه‌های نژادپرستانه‌اش بسیار مورد انتقاد قرار گرفت). در نتیجه، براتین و باردین از او جدا شدند. باردین به دانشگاه ایلینوی رفت و شاکلی بعدها به یکی از بنیان‌گذاران صنعت نیمه‌رسانا در سیلیکون‌ولی تبدیل شد. هر سه نفر در سال ۱۹۵۶ جایزه‌ی نوبل فیزیک را برای «اثر ترانزیستور» دریافت کردند.

نمایی نزدیک از سه ترانزیستور کوچک M-1 که درمقایسه با سکه یک سنتی. این عکس در سال ۱۹۵۶ گرفته شده و نشان می‌دهد ترانزیستورها در عرض شش سال پس از ثبت حق اختراع توسط باردین، براتین و شاکلی چقدر پیشرفت کردند.

چند سال بعد، موریس تاننبام، شیمی‌فیزیک‌دان دیگری از آزمایشگاه بل، نخستین ترانزیستور سیلیکونی را ساخت. در سال ۱۹۵۹، جک کِلبی از شرکت تگزاس اینسترومنتس، اختراع مدار مجتمع (Integrated Circuit) را به ثبت رساند — قطعه‌ای که پایه‌ی اصلی ریزتراشه‌ها و رایانه‌های امروزی شد. تا اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰، رایانه‌های مبتنی بر لوله‌ی خلأ کاملاً منقرض شده بودند.

در سال ۱۹۶۸، گوردون مور، بنیان‌گذار شرکت اینتل، اعلام کرد که تعداد ترانزیستورها در هر تراشه تقریباً هر دو سال دو برابر می‌شود. این قانون تجربی که بعدها به نام قانون مور شناخته شد، برای حدود چهار دهه روند رشد صنعت رایانه را پیش‌بینی کرد.

امروز اما با کند شدن روند کوچک‌سازی ترانزیستورها و افزایش نیاز هوش مصنوعی به توان محاسباتی عظیم، پژوهشگران به دنبال گام بعدی در تکامل رایانه‌ها هستند: رایانه‌های کوانتومی. در این دستگاه‌ها، اطلاعات به‌جای بیت‌های صفر و یک، در «کیوبیت»‌هایی ذخیره می‌شود که می‌توانند چند حالت کوانتومی را هم‌زمان نمایش دهند. بسیاری از دانشمندان معتقدند همان‌گونه که ترانزیستور در میانه‌ی قرن بیستم عصر محاسبات را آغاز کرد، رایانه‌ی کوانتومی نیز در قرن بیست‌ویکم آغازگر عصر جدیدی از فناوری خواهد بود.

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله