Veijo Hänninen

Joulutarina transistorista

Transistori on ensimmäinen kvanttimekaniikan perusteista lähtien kehitetty hyödyke. Kvanttimekaniikan tapaan se on myös ehkä eniten aikakautemme tekniikka, taloutta ja jopa kulttuuria muuttanut kehitystyö.

Vaikka suuri yleisö tuntee transistorin nykyään kännyköiden, televisioiden ja tietokoneiden peruskomponenttina niin alun perin sitä kehitettiin puhelinjärjestelmän käyttökustannusten keventämiseen tarkoitetuksi komponentiksi.

Radioiden ja puhelinliikenteen peruskomponenteiksi olivat kehittyneet 1930-luvulle mennessä radio- eli tyhjiöputket, joissa elektronien siirtymistä katodilta anodille saatettiin säädellä ja näin muodostaa radio- ja puhetaajuuksilla toimivia vahvistimia ja muita elektronisia piirejä.

Erityisesti radiot tulivat suurelle yleisölle tutuiksi elektroniikan keksinnöiksi. Radiota kuunneltiin ehkä muutama tunti päivässä mutta silti radioputket oli aika ajoin vaihdettava.

Samoin puhelinliikenteen kaukoyhteyksissä oli alettu käyttää putkivahvistimia. Puhelin- ja telejärjestelmät ovat käytössä 24 tuntia vuorokaudessa ympäri vuoden joten niissä sitten riitti putkien vaihtoa.

Mitä jos …

1930-luvulla tiedemiehet löysivät kvanttimekaniikasta yhteisen nimittäjän erilaisille kiinteän olomuodon materiaaleille. Metalleista, eristeistä ja puolijohteista ilmestyi monia tutkielmia.

Kun alettiin ymmärtää kiinteiden aineiden olemusta paremmin, syntyi monessakin tutkimuslaitoksessa ajatus valmistaa triodiputken tapainen vahvistin kiinteistä aineista.

Myös fyysikko Mervin Joe Kelly oivalsi tämän mahdollisuuden ja hänestä tulikin keskeisin vaikuttaja transistorin kehitystyössä.

Hän oli tullut AT&T -puhelinyhtiöiden tutkimuskeskukseen eli Bell Labsiin (nyk. Nokia Bell Labs) radioputkitekniikan tutkijaksi. Hänen johdollaan puhelinliikenteen toistinvahvistimen tyhjiöputkien kestoikä saatiin kasvamaan tuhannesta tunnista peräti 80 000 tuntiin. Tämä tapahtui 1930-luvun alkuvuosiin mennessä mutta hän ei ollut näihinkään tuloksiin tyytyväinen vaan alkoi haaveilla kiinteisiin aineisiin perustuvasta eli kulumattomasta, pienestä ja vähän tehoa kuluttavasta triodista.

Kvanttimekaniikkaa opiskelemaan

Bell Labsin johtotaso tunnisti Euroopassa kehittyneiden kvanttimekaniikan näkemysten mahdollisuudet käytännöllisen tuotteen kehittämiseen suuntautuneeseen tutkimukseen.

Mervin Kelly alkoi vahvistaa tutkimusryhmänsä teoreettista perustaa järjestämällä koulutusta ja tuomalla yhtiöön parhaillaan nousevan ensimmäisen polven kvanttiteoriaan perehtyneitä tiedemiehiä.

Näiden joukossa taloon tulivat muun muassa teoreettinen fyysikko William Shockley.

Kellyn näkemys, että puolijohdetekniikka korvaisi puhelinkeskuksen sähkömekaaniset releet ja radioputket siirtyi pian William Shockleyn tutkimuksia ohjaavaksi päämääräksi.

Samoihin aikoihin taloon palkattiin myös Joseph Becker ja Walter Brattain, jotka tutkivat alkuun kuparioksiditasasuuntaajia. Myös he harkitsivat mahdollisuutta valmistaa triodivahvistin asettamalla kolmas elementti kuparin ja oksidikerroksen muodostaman tasasuuntaajan estovyöhykkeelle. He kuitenkin hylkäsivät idean, koska arvelivat, että välialueen tulisi olla niin ohut, ettei sitä käytännössä voisi toteuttaa.

Salamavalot läiskyvät

Sodan uhkan lähetessä 1930-luvun lopulla eri maissa ryhdyttiin panostamaan tutkatekniikan kehittämiseen. Myös Bell Labsissa tutkittiin aihetta ja tehtiin merkittävää työtä suurtaajuisten kideilmaisimien kehitystyössä.

Helmikuussa 1940 Bell Labsin tutkaryhmän elektrokemisti Russel Ohl tutki 99,8 prosenttisen puhdasta piitä. Hän löysi siitä omituisia piirteitä. Materiaalin käyttäytyminen muuttui muun muassa kosteuden, lämpötilan ja valon suhteen.

Lopulta hän pisti näytteen pöytälampun alle jolloin se synnytti epätavallisen suuren jännitteen. Näyte osoittautui erittäin valoherkäksi eli tavallaan nykyisten aurinkopaneelien perusmateriaaliksi.

Seuraavaksi löytö esiteltiin komentoketjua ylöspäin aina Kellylle saakka salamavalolaitteella varustautuneena.

Tämän ilmiön kautta löydettiin sitten puolijohteiden sisäiset p- ja n-alueet sekä näiden välisten rajapinnat. Aikanaan havaittiin myös, että perusmateriaalia kevyemmät epäpuhtaudet aiheuttivat p-tyypin käyttäytymistä ja raskaammat atomit liittyivät n-tyypin materiaaliin.

Joulukuussa 1941 japanilaiset hyökkäsivät Pearl Harbouriin ja Yhdysvallat liittyi toiseen maailmansotaan. Se muutti jenkkien tutkimustoiminnan painotuksia sodan tarpeita vastaaviksi jolloin Bell Labsin puolijohdevahvistimen tutkimukset keskeytyivät useiksi vuosiksi.

Uusi yritys

Sodan aikana opittiin, että puolijohdemateriaalin tuli olla mahdollisimman puhdasta, jonka jälkeen siihen lisättiin tarkka määrä tiettyjä epäpuhtauksia haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Sodan lopun jo häämöttäessä vuonna 1945 Mervin Kelly valmistautui kilpailuun sodan aikana tehtyjen tutkimusten kaupallisesta hyödyntämisestä.

Hän oli vakuuttunut, että puolijohdetekniikka oli tulevaisuuden menestyksen avain. Hän valitsi näiden tutkimusten keskeiseen rooliin William Shockleyn. Lisäksi ryhmään palkattiin uutena jäsenenä materiaalien pintailmiöihin perehtynyt John Bardeen.

Ryhmä ei enää palannut sotaa edeltäneisiin kuparioksidi-ideoihin vaan sodan aikana kehittyneisiin pii- ja germanium-tekniikoihin. Niiden pohjalta Shockley hahmotteli ideoita sähkökentällä ohjattavasta transistorista. Kokeissa ajatus ei kuitenkaan toiminut. Ja pikaisissa laskelmissa osoittautui, että piikalvon pitäisi olla ainakin 1500 kertaa ohuempi kuin oli oletettu.

Joululahja

Perustan tukevoittamiseksi ryhmä päätti välillä hylätä käytännön yritykset ja sen sijaan parantaa ymmärrystään perusasioista. Siten pintatilojen teoretisointi johti ryhmän toisenlaiseen ajattelutapaan.

Bardeen ja Brattain tutkivat puolijohteiden pintatiloja lähinnä valosähköisen ilmiön kautta ja saavuttivat kytkennöillään yllättäviä tuloksia. Testikappaleet pantiin muun muassa erilaisiin nesteisiin, jolloin valosähköilmiö vahvistui huomattavasti ja lisäksi havaittiin vielä ulkoisen jännitteen vahvistavan tai heikentävän ilmiötä.

Kun pintailmiöiden arvoitus oli purettu, Bardeen teki marraskuussa uuden ehdotuksen vahvistimesta. Miksi ei pistettäisi terävää metallia piipalan pintaan ja ympäröidään se elektrolyytillä. Näin tehtiin ja se toimi, tosin vaatimattomasti.

Sitten päätettiin kokeilla germaniumilla ja näyte seostettiin n-tyyppiseksi eli siinä oli negatiivisesti varautuneiden elektronien ylimäärä sähkövirran kuljettajana. Germaniumin pinnalle höyrystettiin kultatäplä, jossa oli pieni reikä keskellä. Perusidea oli, että ohjausjännite voisi johtaa kultaelektrodin emittoimaan elektroneja, joita voisi moduloida puolijohteen pinnalla olevan kontaktin kautta ja johtaa sitten wolframilankaan, joka oli sijoitettu kultatäplän keskellä olevaan reikään.

Joulukuussa 11. päivänä kokeita valmistellessaan Brattain pilasi vahingossa reiän aiheuttamalla kipinän kullan ja wolframin välille. Harmistuneena hän kuitenkin asetti lankakontaktin kultauksen viereen, eikä reikään, jättäen kuitenkin pienen raon niiden väliin.

Kun hän sitten kytki systeemin jännitteen, havaitsi hän helpotuksekseen siinä riittävää modulaatiota mutta nyt virta kulkikin väärään suuntaan.

Brattain ja Bardeen tajusivat, että jotakin todella merkittävää oli tapahtunut. Ohjausvaikutus syntyi vain jos kulta on positiivisesti jännitteinen eli vastakkainen kuin n-tyypin germanium.

Nyt heillä olikin käsillä erityyppinen transistori kuin alun perin oli ajateltu. Sillä toteutettu kokeilu esiteltiin Bell Labsin tutkimuspäälliköille 23. joulukuuta 1947. Epäilijät halusivat tehdä vielä oskillaattorikokeen, joka vahvistaisi, että kyseessä on todella solid-state-vahvistin. Sellainen tehtiin sitten aikanaan koska kaikki halusivat ehtiä jo kotiin ennen kuin iltapäivällä alkanut rankka lumipyry tukkii kaikki tiet. Koko idean alullepanijalle eli Mervin Kellylle ei asiaa flopin pelossa uskallettu kertoa kuin vasta parin viikon kuluttua.

Liitostransistori

Brattainin ja Bardeenin yritys ja erehdys -menetelmällä keksimä kärkitransistori oli erittäin vaikea valmistaa ja käytännössä varsin epävarma komponentti.

Heidän keksintönsä olikin Shcokleylle haaste. Aiheesta tuli hänelle miltei mania, mutta kuitenkin hän tajusi, että transistorille pitää vielä tehdä jotain jotta sillä olisi merkittävä rooli elektroniikassa.

Hänellä oli ajatus sijoittaa erittäin ohut n-tyypin germaniumalue kahden p-tyypin puolijohteen väliin. Näin syntyneestä pnp-liitostransistorista tulikin sitten kaikin puolin parempi komponentti kuin kärkitransistorista.

Lisenssejä ja Nobel

Mervin Kelly ja muu Bell Labsin johto ymmärsivät transistorin merkityksen keksintönä ja vuoden 1952 alussa he päättivätkin myydä valmistukseen liittyvät oikeudet myös muille 25 000 dollarista. Toinen vaihtoehto olisi ollut pitää valmistusoikeudet vain AT&T:n elektroniikkavalmistaja Western Electricillä mutta sen resurssit eivät olisi riittäneen keksinnön nopeaan kehittämiseen ja käyttöönottoon. Lisäksi AT&T oli jo muutenkin monopoliviranomaisten silmätikkuna.

Aluksi transistori olikin enemmän tekninen keksintö kuin kaupallinen menestystuote. Niistä olivat kiinnostuneet lähinnä vain sotilaspiirit. He ostivat alkuun lähes koko tuotannon mutta myös tukivat taloudellisesti uusien tuotantomenetelmien kehitystä.

Bell Labsin johtajaksi edennyt Mervin Kelly oli myös Ruotsin tiedeakatemian jäsen, jota kautta hän vaikutti Nobelin palkinnon myöntämiseen transistorin keksijöille vuonna 1956.

Bardeen ei alkuun ottanut uskoakseen, että moisesta soveltavasta teknisestä keksinnöstä myönnettäisiin Nobel. No hän ottikin sitten aikanaan harvinaisen toisen Nobelin sillä kertaa todella fysiikan perusteista liittyvästä työstä eli suprajohtavuudesta.

Ensimmäisiä sovelluksia

Eräitä transistoreiden ensimmäisiä sovelluskohteita olivat kuulokojeet, sillä alun perin kuurojen parissa työskennellyt puhelimen keksijä Alexarder Bell oli määrännyt testamentissaan kuuroille soveltuville laitteille taloudellisia helpotuksia lisenssimaksujen suhteen.

Transistori mahdollisti myös täysin uudet laitteet ja sovellusalueet.

Muun muassa keksijä Wilson Greatbatch kehitti kahteen transistoriin perustuvan rintakehään asennettavan sydämentahdistimen jo vuonna 1958

Kellyn unelma trasistoroidusta puhelinjärjestelmästä toteutui laajamittaisesti vasta 1960-luvulla. Miljoonia releitä ja vahvistimia ei korvattu hetkessä eikä AT&T:n vahva asema markkinoilla antanut aihetta kiirehtiä.

Tietokoneita ja matkaradioita

Ensimmäisen täysin transistoroidun radion ideoija ja kehittäjä oli piitransistoreilla mainetta niittänyt Texas Instruments. Ensin he yrittivät myydä ideaa vakiintuneille radiovalmistajille mutta ne eivät innostuneet aiheesta.

Texasilaiset löysivät kumppanikseen pienen IDEA-Regency -yhtiön, jonka kanssa suunnittelivat 50 dollaria maksavan pienoisradion 1954. Taloudellisesti se oli fiasko mutta IBM:n johtaja Thomas J. Watson osti niitä alaisilleen esittäen, että jos joku pikkufirma Texasista pystyy tekemään tähän hintaan radioita he pystyvät tekemään transistoreita myös meidän tietokoneisiin.

Kahta vuotta myöhemmin Texas Instruments tekikin toimitussopimuksen IBM:n ensimmäiseen täysin transistoroituun tietokoneeseen.

Pienistä taskuun mahtuvista matkaradioista tuli ensimmäinen suuren yleisön tuntema transistorihyödyke. Niiden kautta maineensa luonut Sony keksi käyttää markkinoinnissaan ideaa, että transistoriradio voisi olla jokaisen perheenjäsenen oma eikä piirongin päällä kököttävä suuri laatikko, jonka asemavalinnoista rock and rollin syntyaikoina syntyi arvattavasti monenlaista suukopua.

Kohti mikropiiriä

Transistoreita käytettiin alkuun yksittäisinä komponentteina, joista sitten yhteen kytkemällä toteutettiin erilaisia toimintoja.

Alkuun päästessään transistorien valmistustekniikka kehittyi nopeasti ja pian opittiin diffusointi eli epäpuhtauksien höyrystäminen suoraan puhtaan piin pintakerroksiin. Kun sitten vielä keksittiin hyödyntää piin pinnalle syntyvää piidioksidia maskina ja eristeenä, niin prosessi siirtyi tasomaiseksi, josta sitten alkoi miljooniakin transistoreita sisältävien mikropiirin valmistus.

1960-luvulle tultaessa myös Shockleyn vuonna 1945 esittämä idea kenttävaikutustransistorista toteutui käytännössä ja se soveltui hyvin mikropiireihin, koska ne voitiin pakata tiiviisti ja ne kuluttivat vähän käyttötehoa.

Mikropiirien kysyntää vauhdittivat erityisesti kylmän sodan aikaiset ohjusprojektit sekä USA:n päätös lentää kuuhun.

Vuonna 1955 Shockley jätti Bellin ja perusti Kaliforniaan oman Shockley Semiconductors -yrityksen ja tuli siten luoneeksi perustan kuuluisan piilaakson synnylle.

Älykkäästä teoreetikosta ei kuitenkaan ollut liikemieheksi ja useat yrityksen avainhenkilöt jättivät yrityksen, jolloin sen toiminta loppui.

Eräs lähtijöistä oli Gordon Moore, joka oli sitten yksi vuonna 1968 perustetun Intel perustajista. Intel esitteli ensimmäisen yleiskäyttöisen mikroprosessorin 1970 ja on sen kehityksen myötä kasvanut puolijohdeteollisuuden suuryritykseksi.

Joulukuussa 2021