Transistorene — små elektroniske giganter

SMÅ radioapparater, TV-apparater og høreapparater skylder for en stor del de små elektroniske gigantene som kalles transistorer, sin eksistens. Hva ligger til grunn for disse elektroniske vidundere? Deres utvikling har forbindelse med den grein av fysikken som kalles kvantemekanikk, og som har å gjøre med ørsmå partikler, for eksempel atomer og elektroner.

Hvilket formål tjener transistorene? Hvilke fordeler har de? Hvordan blir de laget?

En transistor utfører hovedsakelig de samme oppgaver som et vakuumrør eller et elektronrør. Mange av dens anvendelsesmuligheter har tilknytning til dens rolle som forsterker. Transistoren forsterker nemlig de signaler som blir oppfanget av radiolog TV-antenner.

En kan tenke seg at forsterkningen foregår på denne måten: Transistoren mottar et svakt elektrisk signal i den ene enden, kopierer det og sender ut et kraftig signal med samme elektriske mønster i den andre enden. En transistor som virker som forsterker, mottar et elektrisk bilde i form av strøm og sender ut en strøm som kanskje er 20 ganger sterkere enn den opprinnelige, men som likevel har det samme elektriske mønster.

Fordeler

En kan kanskje spørre: Hvis transistorene hovedsakelig gjør det samme som et elektronrør, hvorfor skal en da bry seg med dem? Jo, fordi transistoren har visse fordeler framfor sin forløper, elektronrøret.

Den første fordelen er at transistoren er så liten. Den er bare en hundredel så stor som et elektronrør med samme yteevne; et rør kan med andre ord være like stort som en manns tommelfinger, mens en transistor bare er på størrelse med en ert. Takket være transistorene kan elektroniske apparater framstilles i miniatyr.

En annen fordel ved disse små elektroniske gigantene er at de krever mye mindre strøm enn elektronrørene. Dette skyldes at transistoren ikke har noen glødetråd. For at et elektronrør skal virke, må det ha en glødetråd (som kan sammenlignes med et varmeelement i en elektrisk komfyr, bare med den forskjell at den er mye mindre), som «koker» bort elektroner fra katoden, det elektronemitterende området i røret. Transistoren trenger ikke noen slik glødetråd. Og ettersom transistoren nesten ikke produserer varme, blir den ikke varm. Så snart et rør blir varmt, forbruker det energi.

Andre fordeler som kan nevnes, er følgende: Ettersom transistoren i motsetning til elektronrøret ikke trenger noen oppvarmingsperiode, begynner den å virke med en gang. Transistoren er også mer holdbar ettersom den ikke har noen fine tråder, slik som elektronrøret har. Transistoren har derfor større driftsikkerhet. Det er blitt anslått at en transistor som er i drift natt og dag hele året, vil vare i åtte-ti år. Det er i virkeligheten liten grunn til at disse små elektroniske gigantene skal bli utslitt; men støt, temperaturforandringer og fuktighet har en skadelig virkning på dem.

En av de ting som transistorene har gjort mulig på grunn av sine mange fordeler, er kommunikasjonssatellitten. Den 3. juli 1962 ble den første fjernsynoverføring fra De forente stater til Europa gjennomført via kommunikasjonssatellitten Telstar. Telstar mottok signaler fra en bakkestasjon i De forente stater, forsterket dem og sendte dem så videre, slik at de kunne fanges opp av en annen bakkestasjon langt borte fra den første. Ettersom transistoren krever svært lite strøm, kunne en bruke batterier som får energi fra sollyset, som strømkilde. Telstar-satellitten inneholder ett elektronrør, 1064 transistorer og andre faste bestanddeler. Alle de kommunikasjonssatellitter som er blitt skutt opp etter Telstar, har vært utstyrt med transistorer. Men hva består transistorene egentlig av?

Laget av halvledermateriale

Stoffer som kan lede elektrisk strøm, kalles ledere. Sølv, aluminium og kobber, for å nevne noen eksempler, er gode ledere. Hva er det så som gjør at et spesielt stoff er en god leder? Det skyldes det store antall frie elektroner i stoffet. Men hva menes med «frie» elektroner? Jo, elektronene er frie i disse stoffene i den forstand at de lett kan bevege seg fra ett atom til et annet.

Som en kontrast til stoffer som er gode elektriske ledere, kan vi nevne stoffer som kalles isolatorer. Disse stoffene har ingen frie elektroner. Som følge av det blir elektrisk strøm ikke så lett ledet gjennom dem. Slike stoffer blir derfor forståelig nok brukt i hjemmene for å beskytte oss mot elektrisk støt. Vi har for eksempel støpsler og brytere som er overtrukket med plast.

Det finnes også en tredje gruppe stoffer — faste stoffer som kalles halvledere. Disse stoffene er ikke særlig gode elektriske ledere og heller ikke gode isolatorer. Germanium (som ble oppdaget av en tysk kjemiker og fikk navn etter Germania, Tyskland) og silisium er de meste kjente halvledere.

Hva er så grunnen til at denne gruppen stoffer hverken er gode ledere eller gode isolatorer? Grunnen til at de bare er middels gode ledere, er at de mangler frie elektroner. Og ettersom det ikke krever mye energi å produsere frie elektroner, er de heller ikke gode isolatorer. Antall frie elektroner øker faktisk en million ganger når temperaturen stiger fra minus 18 grader celsius til omtrent pluss 176 grader celsius.

Utgangsmaterialet for transistorer er rent krystallinsk halvledermateriale, og fordi dette materialet hverken er væske eller gass, men har fast form, sier vi at transistorene er laget av faste stoffer.

Forurensninger må tilsettes

Halvledermaterialet kan merkelig nok ikke virke særlig effektivt i ren tilstand; men når en tilsetter den rette mengde forurensninger, kan det virkelig utføre et enormt arbeid.

Men hvorfor er det nødvendig å tilsette forurensninger? Fordi en liten mengde av visse forurensninger frambringer noen få frie elektroner eller forårsaker mangel på elektroner. Det er nemlig slik at enkelte forurensninger ikke frambringer frie elektroner, men i stedet fjerner elektroner fra noen av atomene i halvlederen. Hva blir resultatet? Jo, det blir en plass i et atom hvor det mangler et elektron. Denne tomme plassen kalles et hull. Fordelen ved et «hull» er at det kan bevege seg fra atom til atom. En strøm av slike «hull», «hull» som beveger seg fra atom til atom, danner en elektrisk strøm. «Hullet» blir en bærer av en positiv elektrisk ladning, som utgjør et motstykke til den negative ladning som elektronet er en bærer av.

Et halvledermateriale som har frie elektroner, sies å være av n-type (på grunn av den negative ladningen). Et materiale som har «hull» eller mangler elektroner, sies å være av p-type (på grunn av den positive ladningen).

Vi kan illustrere dette. Hvis arsenikk blir oppløst i svært rent, flytende silisium eller germanium, blir det et overskudd av elektroner som kan betraktes som nærmest frie elektroner. Resultatet blir et n-typemateriale, fordi arsenikkatomet har fem elektroner i sitt ytre skall, mens germaniumatomet bare har fire. Det blir således et overskudd av elektroner. Når disse elektronene blir utsatt for en ytre påvirkning, blir de lett frie elektroner.

Men hva skjer hvis en tilsetter bor eller aluminium til halvledermaterialet? Disse to stoffene har bare tre ytre elektroner. Det blir følgelig et underskudd på elektroner i forhold til det som er tilfelle med germanium; det oppstår på den måten «hull». Resultatet er et materiale av p-type.

Konstruert av flere lag

En transistor består av ett lag p-typemateriale som ligger mellom to lag av n-typemateriale. En slik transistor kalles en n-p-n-transistor. En transistor kan også bestå av ett lag n-typemateriale mellom to lag av p-typemateriale. En slik transistor kalles en p-n-p-transistor.

Forsterkningen finner sted i skilleflatene eller grensesjiktene mellom disse materialene. En kan forestille seg at disse sjiktene er ventiler som enten slipper strømmen lett igjennom eller unnlater å gjøre det, alt etter i hvilken retning den ytre elektriske spenningen blir lagt på disse to sjiktene.

Mikrominiatyrisering

Selv om transistoren er liten av størrelse og krever lite strøm sammenlignet med elektronrøret, har en nå utviklet enda mindre elektroniske enheter. Disse kalles integrerte kretser.

Denne nye metoden går ut på å føye transistorer og andre kretskomponenter sammen i en rekke lag. Disse små enhetene er hele kretser og ikke bare én komponent (for eksempel en transistor) i en krets. Integrerte kretser muliggjør mikrominiatyrisering.

Den vitenskapelige årboken Science Year (1968) sier: «Våre dagers integrerte kretser har en flate på to og en halv ganger to og en halv millimeter og er noen hundredels millimeter tykke. I likhet med transistorene forbruker de nesten ingen strøm i form av varme og trenger således forholdsvis liten avkjøling. . . . Et fjernsynapparat framstilt ene og alene av integrerte kretser, bortsett fra billedrøret og høyttaleren, ville få plass i en liten fyrstikkeske.»

For å illustrere forskjellen mellom hele kretser og enkelte komponenter i en krets kan vi forestille oss en eske på størrelse med en to-liters melkekartong. En krets som består av la oss si 100 alminnelige deler, kunne få plass i denne esken. Men hvor mange deler kunne en få plass til hvis det var integrerte kretser en hadde? Omkring en milliard.

Den senere tids utvikling på dette området er virkelig forbløffende. Det er for en stor del takket være transistorene, disse små elektroniske gigantene, at menneskene har kunnet gjøre slike framskritt innen mikroelektronikken. Mikrominiatyrisering i seg selv er imidlertid ikke noe nytt. Menneskets Skaper benyttet seg av en slik teknikk da han dannet menneskehjernen. Han skapte den slik at om lag 100 milliarder deler kan få plass innenfor dette begrensede området.