Τρανζίστορ—Μικροσκοπικοί Τιτάνες της Ηλεκτρονικής

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΑ ραδιόφωνα, τηλεοράσεις, ακουστικά βοηθήματα—όλ’ αυτά οφείλουν κατά μέγα μέρος την ύπαρξί τους σ’ αυτούς τους μικροσκοπικούς τιτάνες της ηλεκτρονικής που λέγονται τρανζίστορ. Τι υπάρχει πίσω απ’ αυτά τα ηλεκτρονικά θαύματα; Το θέμα έχει μεγάλη σχέσι μ’ ένα κλάδο της φυσικής που λέγεται κβαντική μηχανική και η οποία ασχολείται με μικροσκοπικά αντικείμενα όπως είναι το άτομο και τα ηλεκτρόνια.

Τι ακριβώς κάνουν τα τρανζίστορ; Ποια είναι τα πλεονεκτήματά τους; Πώς κατασκευάζονται;

Βασικά ένα τρανζίστορ κάνει την ίδια εργασία όπως μια ηλεκτρονική λυχνία. Πολλές από τις εφαρμογές του περιστρέφονται γύρω από το ρόλο του ως ενισχυτού. Δηλαδή, το τρανζίστορ δυναμώνει τα σήματα που συλλαμβάνονται, επί παραδείγματι, από τις κεραίες των ραδιοφώνων και των συσκευών τηλεοράσεως.

Μπορεί κανείς να φαντασθή αυτό το ενισχυτικό μέσον σαν να παίρνη μια μικρή ποσότητα ενός ηλεκτρικού σήματος από τη μια πλευρά του τρανζίστορ, να την αντιγράφη και να βγάζη μεγάλες ποσότητες αυτού του ηλεκτρικού δείγματος από την άλλη πλευρά. Το τρανζίστορ που χρησιμοποιείται ως ενισχυτής απορροφά μια ηλεκτρική εικόνα υπό μορφή ρεύματος και εκπέμπει εικοσαπλάσιο ίσως το απορροφηθέν ρεύμα έχοντας το ίδιο ηλεκτρικό πρότυπο.

Πλεονεκτήματα

Μπορεί κανείς ν’ αναρωτηθή, Αν τα τρανζίστορ κάνουν βασικά την ίδια εργασία όπως και οι λυχνίες, γιατί ν’ ασχολούμεθα μ’ αυτά; Διότι το τρανζίστορ πλεονεκτεί απέναντι στον πρόγονό του, την λυχνία κενού.

Το πρώτο πλεονέκτημα είναι το μικροσκοπικό μέγεθος του τρανζίστορ. Είναι περίπου το ένα εκατοστό του μεγέθους της λυχνίας της ίδιας αποδόσεως· μ’ άλλα λόγια, μια λυχνία μπορεί να έχη μέγεθος ίσο με τον αντίχειρα ενός ανθρώπου, αλλά ένα τρανζίστορ έχει περίπου το μέγεθος μπιζελιού. Εξ αιτίας των τρανζίστορ, όλα τα είδη ηλεκτρονικών μηχανημάτων μπορούν να σμικρυνθούν.

Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτών των μικροσκοπικών τιτάνων της ηλεκτρονικής είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν με πολύ λιγώτερη ηλεκτρική ενέργεια από τις λυχνίες. Αυτό συμβαίνει διότι τα τρανζίστορ δεν έχουν νήμα ή θερμαντήρα. Για να λειτουργήση μια λυχνία πρέπει να έχει ένα θερμαντήρα που λέγεται νήμα (όπως είναι ο θερμαντήρας μιας ηλεκτρικής συσκευής αλλά πολύ μικρότερος) για ν’ «αποσπά» τα ηλεκτρόνια από την κάθοδο ή την περιοχή της λυχνίας που εκπέμπει ηλεκτρόνια. Το τρανζίστορ δεν χρειάζεται τέτοιον θερμαντήρα. Και εφ’ όσον το τρανζίστορ δεν παράγει διόλου σχεδόν θερμότητα, δεν θερμαίνεται. Κάθε φορά που μια λυχνία θερμαίνεται, καταναλώνει ενέργεια.

Άλλα πλεονεκτήματα είναι: το τρανζίστορ, επειδή δεν χρειάζεται χρόνο προθερμάνσεως όπως οι λυχνίες, αρχίζει να λειτουργή αμέσως. Το τρανζίστορ είναι επίσης πιο ανθεκτικό, επειδή δεν έχει λεπτά σύρματα να κρέμωνται μέσα του όπως έχει η λυχνία. Ως εκ τούτου το τρανζίστορ είναι επίσης πιο αξιόπιστο στη λειτουργία του. Μερικοί έχουν υπολογίσει ότι ένα τρανζίστορ που λειτουργεί όλη μέρα κι’ όλη νύχτα, κάθε μέρα του χρόνου, θα διαρκούσε οκτώ ώς δέκα χρόνια. Πραγματικά δεν υπάρχει σχεδόν λόγος για να φθαρούν αυτοί οι μικροσκοπικοί τιτάνες της ηλεκτρονικής· εν τούτοις, οι κραδασμοί, οι μεταβολές της θερμοκρασίας και η υγρασία έχουν δυσμενή επίδρασι σ’ αυτά.

Λόγω των πολλών τους πλεονεκτημάτων, ένα πράγμα που κατέστησαν δυνατόν τα τρανζίστορ είναι η επικοινωνία με τους δορυφόρους. Στις 3 Ιουλίου 1962 ο επικοινωνιακός δορυφόρος Τέλσταρ χρησιμοποιήθηκε για τη μετάδοσι ζωντανής τηλεοράσεως από τις Ηνωμένες Πολιτείες στην Ευρώπη. Ο Τέλσταρ έλαβε σήματα από έναν επίγειο σταθμό στις Ηνωμένες Πολιτείες, ενίσχυσε αυτά τα σήματα και κατόπιν τα αναμετάδωσε ώστε να μπορούν να συλληφθούν από έναν άλλο απομακρυσμένο επίγειο σταθμό. Εφ’ όσον τα τρανζίστορ λειτουργούν με πολύ λίγη ενέργεια, μπαταρίες που παίρνουν ενέργεια από το φως του ηλίου θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ενέργεια. Ο δορυφόρος Τέλσταρ χρησιμοποιεί μια ηλεκτρονική λυχνία, 1.064 τρανζίστορ και άλλες συσκευές στερεάς μορφής. Επικοινωνιακοί δορυφόροι που εκτοξεύθηκαν μετά το Τέλσταρ χρησιμοποίησαν όλοι τρανζίστορ. Αλλά από τι κατασκευάζονται τα τρανζίστορ;

Κατασκευάζονται από Ημιαγώγιμα Υλικά

Τα υλικά που επιτρέπουν πολύ εύκολα τη δίοδο του ηλεκτρισμού ονομάζονται αγωγοί. Ο άργυρος, το αλουμίνιο και ο χαλκός, επί παραδείγματι, είναι αγωγοί. Τώρα, πώς συμβαίνει ώστε ωρισμένα υλικά να είναι καλοί αγωγοί; Αυτό συμβαίνει διότι στο υλικό υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός ελευθέρων ηλεκτρονίων. Τι ακριβώς εννοούμε λέγοντας «ελεύθερα» ηλεκτρόνια; Τα ηλεκτρόνια σ’ αυτά τα υλικά είναι ελεύθερα με την έννοια ότι μπορούν να περιπλανώνται από το ένα άτομο του αγωγού στο άλλο.

Σε αντίθεσι με τα υλικά που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, μερικά υλικά ονομάζονται μονωτικά. Αυτά τα υλικά δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, ο ηλεκτρισμός δεν διέρχεται εύκολα διά μέσου αυτών. Γίνεται αντιληπτό ότι αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε οικιακά ηλεκτρικά σκεύη για ν’ αποφεύγεται η ηλεκτροπληξία. Έτσι έχομε ηλεκτρικά καλώδια τυλιγμένα με λάστιχο και πλαστικούς ηλεκτρικούς διακόπτες.

Υπάρχει ακόμη και μια τρίτη κατηγορία υλικών—ένας τύπος στερεών που ονομάζονται ημιαγώγιμα. Τα υλικά αυτής της κατηγορίας δεν επιτρέπουν την πολύ εύκολη διέλευσι του ηλεκτρισμού, αλλά ούτε και είναι πολύ καλά μονωτικά. Έτσι αυτά τα υλικά λέγονται ημιαγώγιμα. Το γερμάνιον (που ανακαλύφθηκε από ένα Γερμανό χημικό και πήρε το όνομα της Γερμανίας) και το πυρίτιον είναι τα πιο γνωστά γενικώς ημιαγώγιμα υλικά.

Γιατί τώρα αυτή η τρίτη κατηγορία υλικών είναι τόσο καλά για να χρησιμοποιηθούν είτε ως αγωγοί είτε ως μονωτικά; Ο λόγος για τον οποίον είναι μόνο κατά το ήμισυ καλοί αγωγοί έγκειται στο ότι στερούνται ελευθέρων ηλεκτρονίων. Και δεν είναι επίσης ούτε καλά μονωτικά, διότι δεν χρειάζεται πολλή ενέργεια για να παραχθούν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Πραγματικά, ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων αυξάνει κατά ένα εκατομμύριο φορές όταν η θερμοκρασία ανέβη από 0° σε 350° περίπου βαθμούς Φάρεναϊτ.

Τα τρανζίστορ αρχίζουν με καθαρό κρυσταλλικό ημιαγώγιμο υλικό, και επειδή αυτό το υλικό βρίσκεται σε στερεή μορφή, σε αντίθεσι με τις υγρές και αεριώδεις καταστάσεις, τα τρανζίστορ ονομάζονται μέσα «στερεάς καταστάσεως.»

Ανάγκη Προσθήκης Ξένων Σωμάτων

Παραδόξως, το ημιαγώγιμο υλικό δεν μπορή να εργασθή πολύ σκληρά στην καθαρή του κατάστασι· όταν όμως προστεθή η ορθή ποσότης προσμίξεων, μπορεί να το κάμη κανείς να εργασθή πολύ σκληρά.

Αλλά γιατί χρειάζεται να προστεθούν ξένες ουσίες; Διότι ένα ελάχιστο ίχνος μιας ωρισμένης ξένης ουσίας παράγει λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια ή έλλειψι ηλεκτρονίων. Έτσι μερικές ξένες ουσίες δεν παράγουν ελεύθερα ηλεκτρόνια αλλά μάλλον αφαιρούν ηλεκτρόνια από ολίγα άτομα του ημιαγωγού. Ποιο είναι το αποτέλεσμα; Έλλειψις ενός ηλεκτρονίου σ’ ένα άτομο. Αυτό ονομάζεται οπή. Τώρα, το πλεονέκτημα μιας «οπής» είναι ότι μπορεί να κινήται από το ένα άτομο στο άλλο. Και μια ροή αυτών των «οπών,» που κινούνται από άτομο σε άτομο, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Η «οπή» γίνεται ο φορεύς θετικού ηλεκτρισμού, που είναι το αντίθετο του αρνητικώς φορτισμένου ηλεκτρονίου.

Το ημιαγώγιμο υλικό που έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζεται τύπος-n (λόγω του αρνητικού φορτίου). Όταν το υλικό έχη «οπές» ή ελλείμματα ηλεκτρονίων ονομάζεται τύπος-p (λόγω του θετικού φορτίου).

Για παράδειγμα: Αν διαλυθή αρσενικόν σε πολύ καθαρό λυωμένο πυρίτιον ή γερμάνιον, τότε υπάρχει περίσσευμα ηλεκτρονίων που μπορούν να θεωρηθούν σχεδόν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό τύπου-n διότι το άτομο του αρσενικού έχει πέντε εξωτερικά ηλεκτρόνια για κάθε άτομο, ενώ το γερμάνιον έχει μόνο τέσσερα, κι’ έτσι υπάρχει περίσσευμα ηλεκτρονίων. Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να ερεθισθούν πολύ εύκολα ώστε να γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Αποτελούνται από Στρώματα Ύλης

Το τρανζίστορ, επομένως, αποτελείται από ένα στρώμα υλικού τύπου-p συμπιεσμένου μεταξύ δύο στρωμάτων τύπου-n. Αυτό ονομάζεται τρανζίστορ n-p-n. Ή ένα τρανζίστορ μπορεί ν’ αποτελήται από ένα στρώμα υλικού τύπου-n μεταξύ δύο στρωμάτων τύπου-p. Αυτό ονομάζεται τρανζίστορ p-n-p.

Οι ενώσεις όπου αυτά τα υλικά συναντώνται είναι το μέρος όπου λαμβάνει μέρος η ενισχυτική δράσις. Μπορούν να θεωρηθούν σαν βαλβίδες που επιτρέπουν ελεύθερα ή όχι τη διέλευσι ρεύματος, και αυτό εξαρτάται με ποιον τρόπο το ηλεκτρικό δυναμικό ή βολτάζ είναι τοποθετημένο κατά μήκος των δύο ενώσεων.

Υπερσμίκρυνσις

Αν και το τρανζίστορ είναι μικρό σε μέγεθος και χρησιμοποιεί λίγη ενέργεια σε σύγκρισι με τη λυχνία, νέες εξελίξεις έχουν παραγάγει μικρότερες ηλεκτρικές συσκευασίες απ’ ό,τι μπορούν να γίνουν ακόμη και με τα τρανζίστορ. Αυτές ονομάζονται «ολοκληρωτικά κυκλώματα» ή απλώς «IC.»

Σ’ αυτή τη νέα εξέλιξι τα τρανζίστορ καθώς και άλλα κυκλώματα τοποθετούνται μαζί σε μια σειρά στρωμάτων. Αυτές οι μικρές συσκευασίες είναι μάλλον ολόκληρα κυκλώματα παρά απλώς ένα στοιχείο (όπως επί παραδείγματι ένα τρανζίστορ) ενός κυκλώματος. Τα ολοκληρωτικά κυκλώματα επιτρέπουν την υπερσμίκρυνσι.

Το Παγκόσμιο Βιβλίο Χρονικού τής Επιστήμης Σάιενς Γήαρ (1968) λέγει: «Σήμερα τα IC έχουν επιφάνεια το ένα δέκατο μιας τετραγωνικής ίντσας και πάχος μερικά χιλιοστά της ίντσας. Όπως και τα τρανζίστορ, δεν καταναλίσκουν σχεδόν καθόλου ηλεκτρική ενέργεια σε μορφή θερμότητος, και έτσι χρειάζονται μικρή σχετικά ψύξι. . . . Μια συσκευή τηλεοράσεως κατασκευασμένη αποκλειστικά από IC, πλην της λυχνίας εικόνος και του μεγαφώνου, θα χωρούσε σ’ ένα μικρό κουτί σπίρτων.»

Για να παραστήσωμε τη διαφορά μεταξύ ολοκλήρων κυκλωμάτων και χωριστών στοιχείων ενός κυκλώματος, ας φαντασθούμε ένα κουτί που να χωράη μισό γαλλόνι γάλα. Τώρα ένα κύκλωμα, που θα περιείχε εκατό ίσως συνήθη μέρη, θα μπορούσε να χωρέση σ’ αυτό το κουτί. Αλλ’ αν επρόκειτο για ολοκληρωτικά κυκλώματα, πόσα μέρη θα μπορούσαν να χωρέσουν στον ίδιο χώρο; Περίπου ένα δισεκατομμύριο (χίλια εκατομμύρια).

Έτσι οι νέες εξελίξεις είναι πράγματι καταπληκτικές. Η πρόοδος του ανθρώπου στην τεχνική της σμικρύνσεως χρωστάει πράγματι πολλά στα τρανζίστορ, αυτούς τους μικροσκοπικούς τιτάνες τής ηλεκτρονικής. Εν τούτοις η τέχνη υπερσμικρύνσεως δεν είναι νέα. Ο Δημιουργός του ανθρώπου εσμίκρυνε τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Τον εσχεδίασε έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σ’ αυτόν τον χώρο περίπου εκατό δισεκατομμύρια μέρη.