A hírközlés története

A hírközlés története LXX.

Az igazi megoldás: a rétegtranzisztor

Bill Shockley az 1947 decemberi sikerek és az azt követô bemutató idején Európában tartózkodott, így csak hazatérése után értesült arról, hogy valami nagy dologból kimaradt. Bosszúsan hallgatta a beszámolókat, de egyre biztosabb lett abban, hogy nem a pont-kontaktuson alapuló tûs tranzisztor az igazi megoldás. Azonnal nekiállt végiggondolni, mi is lehet a titka annak, hogy a bemutatott eszköz erôsíteni képes a jeleket, s hogyan lehet ezt a hatást egy robusztusabb technológiával megvalósítani. Míg Bardeen és Brattain a jelenséget a felület vezetôképességének a változásával magyarázta, addig Shockley egyre biztosabb lett abban, hogy a késôbb tranzisztoreffektusnak nevezett jelenséget létre lehet hozni egy félvezetô tömbön belül is. Korábbi kutatásainak minden eredményét felhasználva két hónap alatt kidolgozta a bipoláris rétegtranzisztor elméletét. Elsô részletes jegyzetén az 1948. január 23-i dátum szerepel, ami azt mutatja, hogy hihetetlen energiákkal vágott neki az elmélet felállításának. A gyakorlati igazoláshoz persze arra volt szükség, hogy meg tudja valósítani a kisebbségi töltéshordozó réteget egy félvezetô tömbön belül.
Megkezdôdtek hát a kísérletezések. 1948 februárjában John Shive egy egészen vékony germániumkristályt állított elô és a kollektort a kristály egyik, az emittert a másik végére helyezte, hogy minimális legyen közöttük az átvezetés a félvezetô felületén. Shockleynak ezzel az összeállítással sikerült igazolna elméletének a helyességét, a kisebbségi töltéshordozók áramlását a félvezetô tömbben. Már csak az a lépés maradt hátra, hogy megvalósítsa az ellenkezô polaritású réteget a kristályon belül. Ezt a kristály egy adott rétegének az eltérô szennyezésével lehetett elérni. A teljesen tiszta félvezetôben ugyanis az elektronok és az elektronok hiányát reprezentáló lyukak egyensúlyban vannak. A félvezetô egészen minimális szennyezésével azonban az egyensúlyt akár az egyik, akár a másik irányba el lehet billenteni. Így jönnek létre a rétegtranzisztor n illetve p rétegei. Nos, Shockleynak és csapatának 1950 tavaszára sikerült tökéletesítenie a szennyezés technológiáját annyira, hogy Brattain, Teal és Sparks segítségével megszületett az elsô rétegtranzisztor, ahol az n szennyezésû tömb felezôsíkjában egy igen keskeny p típusú réteget állítottak elô. Már az elsô mérések jól mutatták, hogy Shockley 1947-ben felállított elmélete helyes volt.
Shockley felfedezése annyiban volt több Bardeen és Brattain úttörô kísérleténél, hogy nem csak megcsinálta, hanem meg is értette a létrehozott eszköz mûködési mechanizmusát. Már Brattain felismerte, hogy a tiszta félvezetô kristályban az elektronok energiája sávokba rendezôdik. Az alacsonyabb energiájú állapotok alkotják a vegyértéksávot, s e fölött helyezkedik el a nagyobb energiájú vezetési sáv. A két sávot a tiltott zóna választja el, ezt azért hívják így, mert ebben az energiatartományban az elektron nem tud megmaradni. Shockley azonban arra is rájött, hogy ha a kristályt megfelelô anyaggal szennyezik, akkor a szennyezô atomok a tiltott sávban helyezkednek el és könnyen le tudnak adni egy-egy elektront annak a sávnak, amelyhez közelebb vannak. Amennyiben a szennyezô atom energiaszintje a vezetési sáv közelében van, akkor könnyen le tud adni egy elektront, a félvezetô vezetési képessége ugrásszerûen megnô. Ezt nevezzük n-tipusú (negatív) félvezetônek. Ha viszont a szennyezô atom energiaszintje a vegyértéksáv közelében van, akkor könnyen vesz onnan fel elektronokat, s az elektronok hiánya, azaz a "lyukak" vezetik az áramot. Ez a p-tipusú (pozitív) félvezetô. Shockley 1950-ben megjelent könyve, az "Elektronok és lyukak a félvezetôkben" (Electrons and Holes in Semiconductors) mind a mai napig alapmû azok számára, akik meg szeretnék érteni a félvezetôk fizikáját.
A mai értelemben vett tranzisztor -mely a "transzfer" és a "rezisztor" szavak összevonásából alakult ki -1951-ben született meg és évek alatt gyökeresen megváltoztatta a világot. Ez a találmány tette lehetôvé, hogy a tranzisztor sok helyen nyugdíjba küldje az elektroncsöveket és ezzel megteremtse a sokkal megbízhatóbb és hosszabb élettartamú elektonikai eszközök világát. Nem csoda hát, hogy a három feltaláló -Bardeen, Brattain és Shockley -igen hamar, már 1956-ban megosztva elnyerték a fizikai Nobel-díjat. A pont-kontaktusos tranzisztor továbbfejlesztése természetesen a rétegtranzisztor tökéletesítésével értelmetlenné vált, hiszen a jól tokozható, könnyen szerelhetô miniatûr elem sokkal megbízhatóbban mûködött és jobb paraméterekkel is rendelkezett. John Bardeen (1908-1987) és Walter Houser Brattain (1902-1987) azonban méltán kapta meg a Nobel-díjat William Bradford Shockley (1910-1989) mellett, hiszen a tranzisztoreffektus felfedezése a nevükhöz fûzôdik. Csak érdekességként jegyezzük meg, hogy Bardeen 1972-ben újra elnyerte a megosztott fizikai Nobel-díjat, akkor a szupravezetési elmélet kidolgozásáért.

dr. Bartolits István