Transistor Menyusut yang Luar Biasa

Di Bell Telephone Laboratories pada 16 Desember 1947, fisikawan John Bardeen dan Walter Brattain menempelkan tiga kontak logam tipis ke sepotong tipis elemen germanium, menerapkan sinyal listrik, dan menemukan bahwa sinyal yang muncul dari perangkat mereka hampir seratus kali lebih kuat. daripada yang masuk. Diluncurkan seminggu kemudian kepada eksekutif Bell Labs, penguat solid-state baru-segera dijuluki transistor-adalah hadiah Natal yang luar biasa, dalam kata-kata pemimpin kelompok riset William Shockley, yang hanya sebulan kemudian menyusun versi perbaikan yang akhirnya terbukti jauh lebih mudah dibuat.



Lima puluh tahun kemudian, transistor telah menyusut secara dramatis sehingga mereka sekarang tidak terlihat oleh mata telanjang. Namun sebagai bahan penting dalam setiap microchip, bertindak sebagai pompa mikroskopis dan katup yang mengatur aliran arus listrik, perangkat kecil ini terus memiliki dampak yang luar biasa pada hampir setiap aspek kehidupan modern.

Iradiasi Makanan: Akankah Ini Menjauhkan Dokter?

Cerita ini adalah bagian dari edisi November 1997 kami





berapa lama untuk pergi ke venus?
  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Jelas pada saat itu bahwa alat berat Bardeen dan Brattain mewakili terobosan dalam elektronik. Tetapi penemunya menganggapnya sebagai pengganti tabung vakum, yang digunakan sebagai amplifier dan sakelar pada peralatan telepon, radio, dan sebagian besar perangkat elektronik lainnya. Shockley mungkin memiliki intuisi terbaik tentang apa yang akan datang. Baru-baru ini ada banyak pemikiran yang dihabiskan untuk otak elektronik atau mesin komputasi, ia berspekulasi pada bulan Desember 1949. Tampaknya bagi saya bahwa dalam otak robot ini transistor adalah sel saraf yang ideal.

Proses fisik yang ditemukan Bardeen, Brattain, dan Shockley sekarang terletak di jantung industri elektronik yang menghasilkan penjualan di seluruh dunia lebih dari triliun per tahun. Nilai terbesar transistor adalah ia dapat diperkecil secara drastis: prinsip operasi fundamentalnya pada dasarnya tetap tidak berubah karena dimensi liniernya telah menyusut lebih dari 10.000 kali lipat. Sebaliknya, tabung vakum sama sekali tidak memiliki prospek untuk jenis miniaturisasi menakjubkan yang telah terjadi pada perangkat solid-state. Dan masalah-masalah lain pada tabung-tabung tersebut—mereka menjadi keras, terlalu sering terbakar, menghasilkan terlalu banyak panas, dan menghabiskan terlalu banyak daya—ternyata benar-benar tidak dapat diatasi.

Transistor pertama biasanya memiliki panjang satu sentimeter; pada akhir 1950-an, mereka diukur dalam milimeter. Dengan penemuan sirkuit terpadu pada tahun 1958, panggung ditetapkan untuk parade mantap inovasi lebih lanjut yang mengurangi ukuran transistor ke tingkat submikron-kurang dari sepersejuta meter. Hari ini transistor tidak lebih dari prinsip fisik abstrak yang dicetak berkali-kali pada kepingan sempit silikon-jutaan riak mikroskopis di lautan kristal yang berkilauan. Seperti yang baru-baru ini dicatat oleh salah satu pendiri Intel, Gordon Moore, ada lebih banyak transistor yang dibuat setiap tahun daripada tetesan air hujan yang jatuh di California, dan biaya produksi satu transistor lebih murah daripada mencetak satu karakter di koran.



Sinergi antara komponen baru dan aplikasi baru menghasilkan pertumbuhan eksplosif dari keduanya, kata rekan lama Moore, Robert Noyce, yang merefleksikan bagaimana transistor dan komputer tumbuh bersama. Dia membuat komentar ini pada tahun 1977, beberapa tahun sebelum komputer pribadi mulai merangsang ledakan komersial lain berdasarkan semikonduktor. Lebih dari faktor lainnya, penyusutan transistor yang fantastis dalam ukuran dan biaya adalah apa yang memungkinkan rata-rata orang untuk memiliki dan mengoperasikan komputer yang jauh lebih kuat daripada apa pun yang dapat dilakukan oleh angkatan bersenjata atau perusahaan besar beberapa dekade yang lalu. Jika kita sebaliknya harus bergantung pada tabung vakum, misalnya, kekuatan komputasi dari chip Pentium akan membutuhkan mesin sebesar Pentagon.

Dan baru saja setahun terakhir ini—yang juga merupakan seratus tahun penemuan elektron—telah ada upaya yang berhasil untuk membangun transistor yang sangat kecil sehingga hanya melibatkan transmisi satu elektron melalui saluran yang panjangnya kurang dari 10 nanometer. Jika teknologi ini dapat ditransfer ke jalur produksi, pengurangan seratus kali lipat dalam ukuran transistor mungkin akan segera terjadi.

Kombinasi Langka

Kisah penemuan transistor di Bell Labs adalah kisah yang cukup terkenal yang sering diceritakan kembali ketika muncul pertanyaan tentang pentingnya penelitian dasar dalam proses inovasi. Yang kurang familiar adalah kisah perkembangan teknologi yang terjadi. Kombinasi langka dari penelitian dasar dan pengembangan teknologi fundamental inilah yang memungkinkan transistor dan microchip modern menjadi mungkin. Sedikit, jika ada, episode dalam sejarah inovasi yang dapat dibandingkan.



ian j. teman baik

Labs menggabungkan filosofi penelitian yang pragmatis dan berorientasi pada tujuan dengan apa yang disebut Shockley sebagai penghormatan terhadap aspek ilmiah dari masalah praktis. Penelitian dipandu oleh tujuan jangka panjang untuk meningkatkan komponen dan layanan Sistem Bell-saklar yang lebih baik, sinyal yang lebih jelas, dll. Tetapi dalam konteks itu, para ilmuwan memiliki kebebasan yang cukup untuk melakukan penelitian dasar tentang sifat-sifat bahan. Fisikawan teoretis terkemuka bekerja bahu-membahu dengan para peneliti tingkat pertama dan beberapa insinyur pengembangan perangkat terbaik di negara ini. Penemuan dan pengembangan transistor menggambarkan interaksi antara praktis dan ilmiah yang menjadi ciri Bell Labs di masa jayanya.

Ketika ide orisinal Shockley untuk membuat penguat solid-state gagal, misalnya, Bardeen mengusulkan teori perilaku semikonduktor yang sama sekali berbeda yang akhirnya ia terbitkan di Physical Review. Pendekatan efek medan Shockley melibatkan penggunaan medan listrik eksternal untuk menginduksi kelebihan elektron di dekat permukaan bahan kristal seperti silikon; dengan lebih banyak elektron berkumpul di sana, lebih banyak arus harus mengalir. Atau begitulah pikirnya. Untuk menjelaskan kurangnya efek semacam itu, Bardeen mengajukan teorinya tentang keadaan permukaan, di mana elektron terperangkap di permukaan dan menghalangi penetrasi medan listrik. Ini adalah titik awal baru yang mengorientasikan kembali upaya penelitian kelompok untuk memahami keadaan yang menyusahkan ini. Kami mengabaikan upaya untuk membuat perangkat penguat, kenang Shockley, dan berkonsentrasi pada eksperimen baru yang terkait dengan keadaan permukaan Bardeen.

Namun, ketika Brattain menemukan cara kasar untuk mengatasi penyumbatan ini pada November 1947, perhatian kelompok itu segera kembali ke tujuan praktis membuat penguat solid-state. Sebulan kemudian mereka menemukan transistor pertama, transistor titik-kontak, yang memiliki dua strip foil emas yang direkatkan ke sisi baji plastik yang menekan tepi foil menjadi lempengan germanium. Meskipun alat aneh ini membentang hampir satu inci, proses fisik baru yang bertanggung jawab atas perolehan daya terjadi hanya dalam 2 mil atau 50 mikron, kira-kira setebal selembar kertas germanium di antara titik-titik logam yang menyentuh permukaannya. Entitas mekanika kuantum bermuatan positif yang dikenal sebagai lubang yang dihasilkan di bawah satu titik mengalir di sepanjang lapisan permukaan ke titik lain, mengurangi hambatan material di bawahnya dan dengan demikian meningkatkan arus yang mengalir melaluinya.

Di bawah manajemen tercerahkan dari Mervin Kelly dan Jack Morton, Bell Labs segera mulai menuangkan sumber daya ke dalam mengembangkan teknologi untuk membuat transistor layak secara komersial. Ini menyempurnakan metode pemurnian germanium dan silikon, dan menumbuhkan kristal besar dari unsur-unsur ini. Dalam beberapa tahun, teknologi ini memungkinkan Shockley dan rekan-rekannya untuk mewujudkan idenya tentang transistor sambungan, yang terbukti jauh lebih andal daripada perangkat aneh Bardeen dan Brattain dan lebih siap untuk diproduksi massal. Dalam transistor jenis ini, yang disebut sambungan p-n menggantikan kontak titik logam-ke-semikonduktor; sambungan ini terbentuk antara dua lapisan bahan semikonduktor yang berbeda yang diresapi dengan pengotor yang berbeda untuk menginduksi sedikit kelebihan elektron atau lubang. Pendekatan ini terbukti sangat penting dalam pembuatan transistor yang murah dan andal yang mulai muncul di perangkat listrik seperti radio dan alat bantu dengar selama tahun 1950-an.

Terlebih lagi, Lab membuat ini dan teknologi lainnya tersedia untuk perusahaan yang ingin masuk ke bisnis semikonduktor. Menggabungkan mereka dengan beberapa inovasi tambahan mereka sendiri, Noyce dan Jack Kilby menemukan sirkuit terpadu di Fairchild Semiconductor dan Texas Instruments menjelang akhir dekade. Lebih dikenal hari ini sebagai microchip, yang sekarang menggabungkan jutaan transistor pada sepotong silikon tunggal, sirkuit ini membentuk dasar dari industri semikonduktor senilai 0 miliar saat ini. Seperti yang diamati Morton, Terkadang ketika Anda mengoleskan roti di atas air, roti itu kembali seperti kue makanan malaikat.

apakah teknologi lucent masih dalam bisnis?

Evolusi Lebih Lanjut

Lima puluh tahun ilmu material dan rekayasa telah meruntuhkan dimensi yang dibutuhkan untuk efek transistor ke tingkat submikron. Germanium telah digantikan oleh silikon, yang berperilaku jauh lebih baik pada suhu tinggi. Difusi lapisan atom pengotor sedalam mikron ke dalam silikon dan pembentukan lapisan oksida pelindung kaca di atasnya, fotolitografi untuk mengetsa fitur halus pada permukaan silikon, dan deposisi uap kontak logam di atas lapisan kaca ini mulai memungkinkan produksi massal sirkuit terpadu yang mengandung banyak transistor dan komponen solid-state lainnya.

Setelah Bell Labs akhirnya membawa keadaan permukaan Bardeen di bawah kendali pada tahun 1960, dengan pembentukan lapisan oksida dalam lingkungan yang dikendalikan dengan hati-hati, pendekatan efek medan asli Shockley kembali ke permukaan dalam bentuk transistor semikonduktor oksida logam (MOS) yang mendominasi industri saat ini. Di sini medan listrik diterapkan melalui lapisan oksida isolasi dengan mengisi strip kecil logam yang disimpan di permukaannya; bidang ini mengatur arus yang mengalir di silikon tepat di bawahnya. Perubahan kecil pada muatan listrik pada strip dapat berdampak besar pada arus ini-terkadang bahkan memblokirnya sama sekali.

Pada tahun 1965 Moore mengamati bahwa jumlah komponen individu pada sirkuit terpadu berlipat ganda setiap tahun. Dia memperkirakan pertumbuhan eksponensial ini untuk dekade berikutnya dan menghasilkan proyeksi yang mencengangkan: bahwa sirkuit tahun 1975 akan berisi sekitar 65.000 perangkat. Sekarang diabadikan sebagai Hukum Moore, prediksinya terus berlaku selama lebih dari tiga dekade, meskipun periode penggandaan telah berkembang menjadi sekitar 18 bulan. Chip paling canggih saat ini berisi jutaan transistor-masing-masing dengan dimensi khas kurang dari setengah mikron. Dan teknik fotolitografi berdasarkan sinar ultraviolet menjanjikan pengurangan ukuran lebih lanjut hingga hampir sepersepuluh mikron, atau 100 nanometer. Chip dengan miliaran komponen solid-state akan segera menjadi kenyataan.

Inovasi Hari Ini

Pelajaran penting untuk dipelajari dari episode transistor adalah bahwa penelitian dasar dalam batas-batas perusahaan yang bermotivasi laba mengarah ke titik awal yang benar-benar baru dan sangat berharga untuk elektronik. Sebuah interaksi yang erat antara praktis dan ilmiah menyebabkan penemuan dan perkembangan pesat dari proses fisik tindakan transistor, yang bisa jadi miniatur drastis.

Tetapi Bell Labs pascaperang adalah institusi unik yang akan sangat sulit—jika bukan tidak mungkin—direplikasi hari ini. Apa yang Kelly gambarkan sebagai institut teknologi kreatif, ia memusatkan energi intelektual dari setengah lusin peraih Nobel di bawah atap satu laboratorium industri di New Jersey. Namun perusahaan induknya, AT&T, berada dalam situasi yang sangat khusus: ia memegang monopoli atas layanan telepon di seluruh Amerika Serikat. Oleh karena itu, setiap kali seseorang melakukan panggilan telepon jarak jauh, dia sebenarnya membayar pajak dasar penelitian dan pengembangan teknologi untuk mendukung proyek yang sedang berlangsung di Lab. Sebagai imbalannya, banyak ilmuwan dan insinyur yang bekerja di sana menganggap diri mereka sebagai bagian dari sumber daya nasional yang memiliki tanggung jawab untuk melayani kepentingan nasional.

Dalam iklim bisnis yang sangat kompetitif saat ini, sebagian besar perusahaan tidak mampu membayar biaya penelitian dan pengembangan yang tidak mungkin meningkatkan profitabilitas mereka selama bertahun-tahun. Didorong oleh tekanan laba dan siklus produk 18 bulan, hanya sedikit perusahaan yang mampu mengumpulkan tim multidisiplin dan memungkinkan mereka melakukan penelitian luas seperti yang dilakukan Bell Labs dengan kelompok solid-statenya di tahun-tahun pascaperang. Dan membuat teknologi baru mereka tersedia secara bebas sama sekali tidak terpikirkan.

Pemerintah federal mencoba membantu menjembatani kesenjangan antara sains dan industri dengan mempromosikan transfer teknologi dan program teknologi maju. Tapi ini adalah proposisi yang sulit, penuh dengan masalah berat dan ketidaksepakatan politik. Dalam lingkungan R&D yang terfragmentasi saat ini, fisikawan di universitas riset dan laboratorium nasional terus mengejar superstring dan leptoquark yang dibayangkan yang tidak memiliki aplikasi praktis yang dapat dibayangkan; sementara itu para insinyur di perusahaan semikonduktor fokus pada pengembangan cara untuk mengetsa fitur yang lebih baik pada silikon.

Sebagian karena dikotomi yang tidak menguntungkan ini, inovasi mengalami kesulitan mencapai produksi. Terobosan terbaru seperti struktur nano fullerene dan superkonduktor suhu tinggi tetap menjadi keingintahuan laboratorium; dibandingkan dengan transistor, yang mulai muncul dalam alat bantu dengar hampir lima tahun setelah ditemukan, inovasi ini berjalan tertatih-tatih menuju komersialisasi. Sebuah solusi yang mungkin mungkin terletak dalam konsorsium industri-seperti Austin's Sematech-yang terutama ditujukan untuk mengembangkan kumpulan teknologi baru yang dibutuhkan oleh perusahaan yang berpartisipasi untuk meningkatkan lini produk. Kelompok penelitian dasar mungkin tergabung dalam konsorsium yang didanai dengan baik. Dengan cara itu mereka akan beroperasi di tengah lingkungan pragmatis yang juga dapat mendorong perkembangan mendasar yang biasanya diperlukan untuk mengubah penemuan ilmiah menjadi produk yang bermanfaat.

Tren harapan lainnya adalah bahwa perusahaan besar seperti Microsoft yang memiliki pangsa yang nyaman atau monopoli virtual di pasar spesifik mereka sekali lagi mulai melihat kebijaksanaan berinvestasi dalam penelitian. Inilah yang terjadi di Xerox's Palo Alto Research Center selama tahun 1970-an dan mengarah pada pengembangan teknologi informasi yang sangat berguna seperti Ethernet, mouse, dan antarmuka pengguna grafis. Di bawah kepemimpinan Bill Gates dan Nathan Myhrvold, Microsoft baru-baru ini mengambil langkah serupa, mengabdikan ratusan juta untuk proyek penelitian dan pengembangan dasar dalam ilmu komputer. Tapi saya bertanya-tanya seberapa banyak perusahaan akan membagikan temuannya dengan perusahaan lain.

Apapun masalahnya, penting untuk mengenali kemitraan sejati yang harus ada antara sains dan teknologi. Bukan sains yang menjadi teknologi menjadi produk, klaim Moore dalam menyerang model linier pengembangan industri Bell Labs. Ini adalah teknologi yang membuat sains ikut serta di belakangnya. Tetapi sains yang dia maksud adalah sains yang diterapkan secara sempit yang dilakukan di sebagian besar industri saat ini—dari mana hanya sedikit, jika ada, inovasi dan titik tolak baru yang radikal akan pernah muncul. Sains dan teknologi seperti dua rantai polipeptida yang saling terkait dalam sebuah molekul DNA. Masing-masing mempengaruhi yang lain dalam hubungan simbiosis yang rumit yang akan sangat berkurang jika salah satu menjadi hamba yang lain.

Poin utama saya adalah bahwa kita perlu mengatasi sifat terfragmentasi dari perusahaan R&D saat ini. Apa yang mencirikan Bell Labs pascaperang dan mengarah pada penemuan dan pengembangan transistor adalah bahwa berbagai bakat yang diperlukan untuk inovasi revolusioner dapat ditemukan di bawah satu atap, bekerja sama sebagai unit yang diminyaki dengan baik di bawah manajemen yang tercerahkan yang memahami bagaimana tim multidisiplin mengembangkan radar dan bom atom selama Perang Dunia II. Saya berharap bahwa kita tidak akan membutuhkan bencana serupa lagi untuk mengingatkan kita sekali lagi tentang nilai penelitian dan pengembangan yang kooperatif.

bintang terdekat dalam tahun cahaya
bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan