Transistor viert zestigste verjaardag

Zondag precies zestig jaar geleden bouwden John Bardeen en Walter Brattain van het Amerikaanse Bell Labs de eerste werkende transistor: een apparaat dat stroom doorlaat afhankelijk van of hij aan of uit staat. De gevolgen waren enorm.

De eerste ideeën over het bouwen van transistors werden al in 1928 gepatenteerd door de Duitse natuurkundige Julius E. Lilienfeld. Er is geen direct bewijs dat hij zijn ontwerp ook gebouwd heeft, maar het werkte in ieder geval wel. Bell Labs, de onderzoekstak van het Amerikaanse telecombedrijf AT&T, raakte na de Tweede Wereldoorlog ook erg geïnteresseerd in deze techniek. Tijdens de oorlog waren er door de ontwikkeling van de radar namelijk flinke sprongen gemaakt op het gebied van diodes en halfgeleiders.
Het bedrijf zag mogelijkheden om dit soort nieuwe elektronische foefjes te gebruiken als signaalversterkers binnen het telefoonnetwerk. Op 16 december 1947 lukte het Bardeen en Brattain om een werkend prototype te bouwen.

Het basisprincipe van de transistor die men toen bouwde is nog steeds hetzelfde als het nu is: een elektrisch circuit onderbroken door een stuk halfgeleidend materiaal en een derde poot waarmee de doorlatendheid wordt geregeld. Wie veel met computers bezig is denkt als het over transistors gaat misschien alleen in termen van 'aan' en 'uit', maar er zijn ook analoge toepassingen. De eerste concrete functie die men bedacht was om een zwak signaal te gebruiken om de doorlating van een krachtigere stroom te regelen: een versterker.

Het ontwerp van de transistor werd in de loop der jaren snel verbeterd. Tegen de tijd dat de eerste versie werd aangekondigd in juli 1948 was er al een kleinere en goedkopere uitvoering bedacht. Klinkt bekend, nietwaar? Na de uitvinding was er binnen Bell Labs onenigheid. Teamleider William Shockley voelde zich gepasseerd omdat Bardeen en Brattain er met de eer vandoor waren gegaan, maar zijn inzichten leidden later nog tot twee nieuwe generaties na de originele point-contact transistor, namelijk de junction transistor (1951) en de field effect transistor (1960). Deze laatste vorm van transistors wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt, maar tegen de tijd dat Bell Labs het voor elkaar kreeg om zijn theorieën in de praktijk te brengen, was Shockley al opgestapt om zijn eigen bedrijf te beginnen.

In 1954 had Texas Instruments namelijk de schokkende aankondiging gedaan dat het mogelijk was om transistors te bouwen met silicium, in plaats van met het germanium dat tot dan toe werd benut. Hoewel men destijds waarschijnlijk niet volledig inzag wat dit voor de toekomst zou betekenen, was wel duidelijk dat er flink geld aan te verdienen was. In 1956 verliet Shockley zijn werkgever om Shockley Semiconductor op te richten, dat nu wordt gezien als het startpunt van Silicon Valley. In hetzelfde jaar kregen hij, Bardeen en Brattain de Nobelprijs in de natuurkunde voor hun uitvindingen.

Van links naar rechts: Shockley, Bardeen en Brattain

Shockley was echter ver van een goede manager. Zijn soms bizarre gedrag werd tot op zekere hoogte nog getolereerd, maar toen hij in 1957 ook nog eens het onderzoek naar siliciumtransistors stil wilde leggen, vertrokken acht van zijn werknemers om hun eigen bedrijf te beginnen: Fairchild Semiconductor. Een van deze acht mannen was Gordon Moore. Bij Fairchild begon men door 40 miljoen dollar in een fabriek te investeren en vervolgens transistors aan IBM te verkopen voor 200 dollar per stuk. De prijs daalde overigens al heel snel, een trend die daarna nooit meer is opgehouden.

Tegen die tijd had men ook al door dat transistors in hun rol als aan/uit-schakelaars gebruikt konden worden om digitale circuits mee te bouwen, maar dat gebeurde nog op dezelfde manier als men gewend was met vacuümbuizen: door losse transistors aan elkaar te knopen. Twee jaar later kwam men op het lumineuze idee om meerdere transistors op een stuk silicium te integreren. Een schakeling van vier transistors werd het eerste geïntegreerde circuit op silicium.

Gordon Moore zag hier wel brood in: hij had in 1965 al zijn beroemde wet geformuleerd, die stelt dat het aantal transistors dat op een chip gebakken kan worden iedere 1,5 jaar verdubbelt. In 1968 besloot hij samen met zijn collega's Robert Nyce en Andy Grove een nieuw bedrijf op te richten wiens bestaan gebaseerd zou worden op deze wet: Intel. Oorspronkelijk bouwde het trio alleen geheugenchips, maar men kreeg al snel in de gaten dat er ook brood zat in complexere circuits.

Het Japanse Busicom gaf Intel de opdracht een chip te ontwerpen voor rekenmachines. Busicom wilde eigenlijk een simpel ontwerp met alleen een paar basisfuncties er hard ingebakken hebben, maar architect Ted Hoff had een veel beter idee: een heel dynamisch ontwerp, dat met behulp van instructies gestuurd zou worden. De opdrachtgever vond het te veel risico en te lang duren om zo'n hele 'microprocessor' te bouwen, dus Intel gaf de Japanners hun 40.000 dollars terug en hield het ontwerp voor zichzelf. De 2300 transistors tellende 4004 was in 1971 af en zou naar verluidt even krachtig zijn geweest als de 30 ton wegende Eniac, een van de eerste computers.

Inmiddels is een leven zonder transistors volledig ondenkbaar geworden. Er worden er naar schatting tien miljard miljard per jaar gemaakt en dat zal alleen nog maar stijgen. De kosten en afmetingen van de transistors zijn onvoorstelbaar snel afgenomen, tot het punt waarop er honderden miljoenen voor een paar euro verkocht kunnen worden. De exponentiële ontwikkelingen op het gebied van transistors tussen 1947 en vandaag zijn in geen enkele andere sector geëvenaard. Volgens experts is het einde bovendien nog niet in zicht: Risto Puhakka van VLSI Research verwacht over tien tot vijftien jaar overal chips met miljarden transistors te zullen zien.

Rekenkracht, geheugen en communicatie zal goedkoper dan ooit worden, waardoor technologie op nog veel meer plaatsen door zal dringen dan nu al het geval is. Op welke manieren dit onze samenleving zal beïnvloeden is bijna niet te voorspellen, net als Shockley, Bardeen en Bartain met geen mogelijkheid hadden kunnen vermoeden hoe hun uitvinding de wereld zou veranderen.