A miniatürizálás nehézségei
A miniatürizálás nehézségei
Mikro? – volt már forradalma egyszerűen az elektronikának is. Kultúrforradalom volt, az elektroncső teremtette meg. Az idősebbek még jól emlékeznek a kedves régi rádiókészülékek felépítésére: kevés, de gyakran meghibásodó elektroncsőből, jó néhány egyéb áramköri elemből álltak; az összeköttetést mindezek között a merev vagy hajlékony huzalok erdeje alkotta. Jól beváltak az így épült műszerek is, a II. világháborúban pedig már roppant szerepe volt az elektronikus haditechnikának. De amikor később ezeket az elveket összetett nagyberendezésekre próbálták alkalmazni, jöttek a bajok. Az első elektronikus számítógépben, az ENIAC-ban 18 000 elektroncső, több mint félmillió forrasztási pont volt (nem számítva minden egyes cső bonyolult belső szerkezetét). Nem csoda, hogy többet javították, mint amennyit működött. Azt is tapasztalták, hogy az elektroncső alkalmasabb bonyolult jelek alakhű (analóg) erősítésére, mint kapcsoló típusú (vezető-nem vezető, digitális) működésre.
A térben futó huzalozás egyszerűsítése már a II. világháborúban megkezdődött azzal, hogy az áramkör vezetékeit szigetelőlapra nyomtatták. Az eljárást egyébként már 1937-ben alkalmazta Joseph Sargrove (eredeti nevén Szabadi) Angliában.
A szigetelő alapon azonban szitanyomtatással, esetleg vákuumpárologtatással ellenállásokat, sőt fém-szigetelő-fém szerkezetű kondenzátorokat is ki lehet alakítani. Az ilyen áramkörökkel alaposan csökkent az elektronikus készülékek térfogata, kevesebb lett a rossz csatlakozásból származó meghibásodás is – de még mindig szükség volt elektroncsövekre. Amikor pedig ezeket szubminiatűr kivitelben kezdték gyártani, a korábbiaknál is sűrűbben mentek tönkre.
Mintha zsákutcába került volna az elektronika a 40-es évek második felében. Valami egyszerűbb, robusztusabb eszközzel kellett tehát pótolni a csövet. Már 1936-ban felvetette a német Oskar Heil a vezérelt ellenállás ötletét. Egy síkkondenzátorra gondolt, amely fém, dielektrikum- és félvezető-rétegből áll. A kondenzátorra adott feszültséggel változik az elektródákban lévő töltés. Maga a félvezető elektróda azonban egy másik körnek is eleme, amelyen áram halad át. Így a fémelektróda statikus töltésével minden pillanatban a másik elektródában éppen jelenlevő áthaladó töltés tart egyensúlyt. Az áram nagysága tehát a vezérlő feszültségtől függ.
Ezt az elvet kezdték el tanulmányozni a Bell Laboratories kutatóintézetben (Egyesült Államok), de csakhamar kiderült, hogy a megvalósítás különleges, az idő tájt szinte elérhetetlen tisztasági követelményeket támaszt.
A félvezető tiszta állapotban szinte szigetelő lehet, de egy milliomodrésznyi szennyezés már jó vezetővé, egy ezredrésznyi szinte már fémes jellegűvé teszi. Ezért később különlegesen meg kell tisztítani és azután megfelelő arányban hozzáadni az adalékot (a szándékolt szennyezést). Az adalék fajtájától függően válhat az anyag n típusúvá (a mozgó elektronok vezetnek) vagy p típusúvá (a pozitív töltést jelentő „lyukak” vezetnek). Egyetlen kristályos szerkezeten belül létrehozott p és n zóna elválasztó határfelülete (az „átmenet”) csak akkor ereszti át az áramot, ha a p oldal pozitívabb; ellenkező esetben szigetelőként hat.
A fenti felismerések alapján William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain, a Bell Laboratories tudósai, 1948-ban létrehozták a bipoláris tranzisztort (1956-ban Nobel-díjat kaptak érte). Ez működésben kissé eltér az eredeti gondolattól. Felépítése is bonyolultabb. A vezérlőkör a két átmenet közötti keskeny zónába – a bázisba – juttat töltést; ennek ellensúlyozására ugyanakkora, de ellentétes töltés áramlik a bázisba az egyik átmenet felől. Ez az áram azonnal tovább is halad a másik átmeneten át. Azonban a bázisba juttatott vezérlő töltésnek is állandó utánpótlásra van szüksége, mert lassúbb tempóban ugyan, de az is elszivárog. Végeredményben tehát egy lassan haladó töltés tart a bázisban helyi egyensúlyt az ellenkező előjelű, de sokkal gyorsabban haladó töltés pillanatnyi értékével. Így jön létre az áramerősítés.
A bipoláris tranzisztorról hamar kiderült, hogy fogyasztása nagyon csekély, felépítése egyszerű, és (digitális) kapcsolónak is (analóg) erősítőeszköznek is jól beválik. Fokozatosan kiszorította az elektroncsövet és alaposan csökkentette az elektronikus berendezések méretét. Ez azonban nem ment egy csapásra. A korai tranzisztorok alapanyaga germánium volt, amelynek felülete mindenféle hatásra nagyon érzékeny. Ezért a tranzisztorok megbízhatósága eleinte nem volt jobb, mint az elektroncsöveké.
Sokkal jobbnak bizonyult a szilíciumtranzisztor, de igényesebb technológiája miatt ezt csak az 50-es évek derekán fejlesztették ki. A szilícium nagy előnye, hogy a friss kristályfelületen gyorsan keletkezik vékony, tömör szilícium-dioxid réteg, amely az eszközt minden további kémiai vagy fizikai hatástól megvédi, viszont megfelelő vegyszerrel eltávolítható. Erre az elvre alapozva dolgozta ki a Fairchild Semiconductor vállalat (Egyesült Államok) a tranzisztorok gyártására szolgáló planár eljárást 1958-ban. Ennek lényege, hogy az oxidréteg a gyártás alatt is jelen van, csak rövid időre nyitják meg az adalék bejuttatására. A planár eljárás rendkívül termelékeny, mert nem az egyes apró lapkákat munkálják meg, hanem a megtisztított szilícium 10-15 cm átmérőjű, egykristályos rúdjából vágnak vékony szeleteket, s ezeken végzik el az egyes lépéseket (a legtöbb műveletet egyszerre több szeleten). Csak később vágják szét a szeletet több száz apró lapkára, ezeket azután – automata gépekkel – egyedileg szerelik és fokozzák.
