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.

Reacties (60)

[japaveh]

Uiteraard zal de Wet van Moore niet oneindig door kunnen gaan. Het procede van het steeds kleiner maken van de gate zal nog tot ongeveer 2020 kunnen verder gaan maar dan zullen we steeds meer de fysische limieten tegenkomen waarbij er bijvoorbeeld tunneling en andere effecten zullen optreden.

Vandaar dat ook steeds meer onderzoeksinstituten het onderzoek op de lange termijn gaan verleggen naar techieken waarbij met niet puur kijkt naar het kleiner maken van de transistor maar bijvoorbeeld naar bio of technieken als nano-wires en spintronica.

[mae-t.net]

Gefeliciteerd!

Ik zal wel muggen ziften maar er staan 2 kleine dingetjes die ik wil aanvullen in het artikel.

Het begint in 1928 met de eerste ideeen over het opbouwen van transistors, het gaat daarbij om de veldeffecttransistor die verderop in het artikel terugkomt en pas in de jaren 60 practisch bruikbaar werd. Het verhaal gaat (heb ik niet geverifieerd maar is vast terug te vinden) dat Shockley, Bardeen en Brattain ook nog naar dat ontwerp hebben gekeken alvorens de bipolaire transistor te bouwen waar we nu de verjaardag van vieren.

Verder staat er ergens vermeld dat men in het begin transistoren net zo gebruikte als electronenbuizen, namelijk los. Dat klopt niet, de meest gebruikte computerbuis was een dubbeltriode met het equivalent van 2 transistoren. Verder werden er ook wel buizen met meerdere roosters gebruikt die de functionaliteit van een complete poort in zich hadden, of in het geval van een radio de functie van 3 transistoren vervulden. In de meeste gangbare buizenapparatuur werden eigenlijk altijd wel buizen gebruikt met meerdere elementen of meerdere functies en leek het gebruik ervan dus feitelijk meer op dat van IC's.

[Bart©]

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.

Ueh, volgens mij bedoelen ze een relais.

[GENETX]

Nee, een relais is echt iets heel anders. Een transistor geeft een bepaalde versterking aan de hand van het ingangsignaal (er is overigens ook een top). Waarom we hem voor 1-en en 0-en gebruiken? Omdat er een punt (vaak 0,7V ongeveer) is waarop hij zeg maar aan schakeld. Zo gebruiken we hem voor computers en waarschijnlijk denk je daarom dat het een relais moet zijn.

Hoe een relais in elkaar steekt weet ik zo niet, maar volgens mij schakelen relais fysiek door een schakelaartje echt om te zetten waardoor je circuit gesloten wordt. Een transistor vormt eigenlijk altijd een gesloten circuit alleen wanneer de stuurspanning te laag is loopt er geen stroom door meende ik.

[MasQQ]

klopt, waar bart mee in de war is is dat een relais wel krachtstroom kan doorlaten door een zwakstroom signaal, maar dat is niet versterken, maar meer een soort verbinden.

wiki:
Een relais is een door een elektromagneet bediende schakelaar. Het is een eenvoudige doch zeer veelgebruikte component in analoge schakelingen en vooral als eindcomponent in digitale schakelingen. De laatste decennia bestaan elektronische alternatieven zoals de transistor en de thyristor. Elektronische schakelingen met deze componenten met een relaisfunctie worden solid state relais genoemd. Relais die gebruikt worden om verbruikers zoals elektromotoren e.d. te schakelen worden ook wel magneetschakelaars genoemd.

http://nl.wikipedia.org/wiki/Relais

[Verwijderd]

Op 16 december 1947 lukte het om Bardeen en Brattain om een werkend prototype te bouwen.

Op de foto van de replica staat echter 23 December 1947.

Zijn beide goed? En duurde het 7 dagen langer voordat hij definitief af was (of dat de replica gebouwd was), of zit er ergens een foutje?

@Holoris, mijn dank, was zelf te druk bezig om het dieper uit te zoeken

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 22 juli 2024 14:06]

[Verwijderd]

On 15 December 1947, "When the points were, very close together got voltage amp about 2 but not power amp. This voltage amplification was independent of frequency 10 to 10,000 cycles". [4]

On 16 December 1947, "Using this double point contact, contact was made to a germanium surface that had been anodized to 90 volts, electrolyte washed off in H2O and then had some gold spots evaporated on it. The gold contacts were pressed down on the bare surface. Both gold contacts to the surface rectified nicely... The separation between points was about 4x10-3 cm. One point was used as a grid and the other point as a plate. The bias (D.C.) on the grid had to be positive to get amplification... power gain 1.3 voltage gain 15 on a plate bias of about 15 volts". [5]

Brattain and H. R. Moore made a demonstration to several of their colleagues and managers at Bell Labs on the afternoon of 23 December 1947, often given as the birth date of the transistor. The "PNP point-contact germanium transistor" operated as a speech amplifier with a power gain of 18 in that trial.
(van Wikipedia)

Dus 16ste afgebouwd, 23 gedemonstreerd voor Bell.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 22 juli 2024 14:06]

[Verwijderd]

maw. De foto is gemaakt op 23 december 1947.
De foto zelf werd hoogstwaarschijnlijk later in de kranten gebracht aangezien in die tijd men de foto nog moest ontwikkelen wat toch wel een dagje in beslag nam

[Kalief]

Leuk artikel. Jammer van die oubollige laatste alinea. Alsof mensen die 40 mln dollar bijeen weten te krijgen voor een investering geen idee hebben waar die voor bedoeld is.

[Verwijderd]

Ze hadden waarschijnlijk wel door dat ze er computers (krachtige automatische rekenaars) mee gingen maken (dat was immers theoretisch al uitgedacht), maar ze hadden zeker niet kunnen bedenken dat 60 jaar later het gemiddelde huishouden zo'n 100 computers zou bevatten, waarvan de meeste zo klein zijn, dat mensen niet eens meer door hebben dat het een computer is.

Ook hadden ze waarschijnlijk niet bedacht dat computers zo goedkoop zouden worden dat je ze in een verpakking om je product in de winkel zou doen, en zou weggooien nadat het "gescand" was.

Of wat dacht je van het fenomeen "software"? Toen die transistors ontworpen werden bestond dat niet. Zoals in het artikel staat, kwam het idee om instructies hetzelfde te behandelen als data pas veel later. Laat staan dat ze toen dachten dat je miljarden kon verdienen met de verkoop van een hoop enen en nullen, wat software eigenlijk is.

En dat hele internet, wat ook een gigantische sociale impact heeft gehad, was toen ook nog geen gedachte.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 22 juli 2024 14:06]

[froggie]

Nou, het abstracte idee van software, in de vorm van instructies die wanneer achter elkaar uitgevoerd een voorspelbare uitkomst genereren, was al wel aanwezig. Al in de eerste helft van de 19e eeuw schreef Ada Lovelace een programma waarmee de Bernoulli getallen konden worden berekent op de, op dat moment theoretische, Analytical Engine van Charles Babbage. Zie http://en.wikipedia.org/wiki/Ada_Lovelace.

Uiteraard ben ik met je eens dat mensen toen niet durfden dromen dat computers en bijhorende programma's uit het wetenschaps hoekje zouden komen en vandaag de dag zo'n prominente plaats innemen binnen de samenleving.

edit: typo, bron

[Reactie gewijzigd door froggie op 22 juli 2024 14:06]

[mae-t.net]

En behalve dat het abstracte idee van software al uit de 19e eeuw stamt, waren er voor de introductie van de transistor ook al electrische en electronische computers (die software konden verwerken). Die waren aleen maar wat groter en onderhoudsgevoeliger.

[Reactie gewijzigd door mae-t.net op 22 juli 2024 14:06]

[Verwijderd]

Dat staat er niet. Er staat dat ze geen idee konden hebben hoe veel invloed het op de samenleving zou hebben. Dat gaat over 1957 - 50 jaar geleden. Zelfs 15 jaar geleden hadden we nog nauwelijks het vermoeden dat de computer zover zou doordringen. Dat de computer een steeds belangrijker rol zou gaan spelen in ons werk waren we toen wel achter, maar dat zelfs niet-techneuten een PC in de woonkamer zouden gaan zetten hadden toen nog weinig mensen bedacht.

[GENETX]

Om maar te zwijgen over alle verdere apparaten met "computers" zoals MP3-spelers, TomTom etc etc.

[Verwijderd]

Het lijkt wel of alle grote ontwikkelingen afkomstig zijn uit het Westen. Hoe komt dat eigenlijk?

[Bigbadkip]

Als jij je dag moet besteden aan het halen van water of het hoeden van je vee zodat je gezin die avond te eten/drinken heeft, dan denk je niet aan het maken van een transistor.

En de meeste grote electronica conserns zit tegenwoordig echt in azie hoor, Samsung,Asus,Toyota enz

[Farscape2]

Dat de grote electronica concerns van deze tijd in Azie zitten, klopt, maar dat heeft meer te maken met de kosten van arbeid in die landen en de nijverigheid van de mensen (Koreanen en Japanners).

En niet te vergeten de nijverigheid waarmee vele aziatische merken in de jaren '50 en '60 innovaties op het gebied van techniek, mechanica etc kopieerden van Westerse bedrijven (en soms waren de kopieen beter dan de orginelen )

Begin en midden vorige eeuw kwamen eigenlijk alle innovaties uit het westen, zoals de stoommachine, verbrandingsmotor en de transistor. Dit had natuurlijk alles te maken met het ontwikkelde klimaat waarin we leefden ten opzichte van de rest van de wereld. Dit zie je tegenwoordig veelal verschuiven naar het Oosten. Deze trend zal zich altijd door blijven zetten, zodra gebieden ontwikkeld genoeg zijn, zoals je zelf aangeeft, dat ze niet meer heel de dag hoeven te besteden aan het halen van water, zoeken naar voedsel etc komt er tijd om te innoveren

[enigmafan]

Het lijkt wel of alle grote ontwikkelingen afkomstig zijn uit het Westen. Hoe komt dat eigenlijk?

Ehm... Omstreeks het jaar 820 schreef de wiskundige Al-Chwarizmi een boek over het rekenen met letters: hisab al-djabr wa al-muqabala (Arabisch: حساب الجبر و المقابلة). De titel van dat boek gaf aanleiding tot het algemene gebruik van het woord algebra in het Westen.

of windmolens: Windmills were first built in Iran sometime between the 7th century and 9th century

Ah, en hier is het artikel dat ik eigenlijk zocht: Uitvindingen uit de Moslim wereld

Een heleboel uitvindingen uit het Westen vinden hun oorsprong in andere landen.

[donotwant]

zo schreven chinezen al duizenden jaren geleden, en heeft de romeinse beschaving ook heel wat achter gelaten, zoals de waterleiding

elk gebied zijn eigen "gouden tijd" van uitvindingen, toch zal je zien dat de landen die het rijkst worden met handel altijd vooraan staan qua innovatie

erg leuk hier een discussie te starten...
het westen is niet fantastisch, maar de "Moslim wereld" ook zeker niet

[Blokker_1999]

Kvraag me toch af hoe men in die tijd zulke fijne ontwerpen kon tekenen en ontwikkelen.

[jvo]

Ach, 2300 transistors is toch heel wat anders dan wat nu courant is. Lijkt me nog wel een aantal om met de hand, pen en papier te doen. Tja, en dan ga je die transistors op een gegeven moment inzetten om ontwerpen met meer transistors te maken.

[Verwijderd]

Dan heb ik veel respect voor je, net zoals ik m'n hoed afdoe voor de mensen die dit destijds gedaan hebben.

Ik heb tijdens m'n studies wel vaker circuits zitten analyseren met pak 'm beet 10 a 15 FETs in en ik kan je uit ervaring zeggen: afhankelijk van wat je er over wil weten kun je daar echt wel vele uren voor zitten rekenen met pen en papier. Dus circuits met zo'n 2300 transistors met pen en papier zitten doorrekenen lijkt me _flink_ tegen te vallen. Zelfs als je een team mensen hebt en vele dagen/weken de tijd hebt/krijgt...

[Countess]

op hele, hele hele HELE grote vellen papier.
heeft mijn vader ook nog een hele tijd gedaan bij philips (tot ze overgingen op CAD)

[halfgaar]

De field effect transistor is bij lange na niet de enige nog in gebruik, zoals het artikel suggereert. De bipolar junction transistor ook nog, volop, in audio bijvoorbeeld. Alles met een basis, collector en emitter is een BJT. FETs hebben een gate, drain en source, welke termen bekend voor zullen komen van alle berichten over IC technologie.

[-Niels-]

Er worden er naar schatting tien miljard miljard per jaar gemaakt en dat zal alleen nog maar stijgen.

Zozo dat is maarliefst 10/0,681= bijna 15 G80 core's voor een 8800GTX...
Neem aan dat hier microprosessors oid bedoelt word?

[frankknopers]

Tien miljard miljarden. Dat zijn 9x2 = 18 nullen. Een G80 core heeft meen ik 680M transistors, en dan kom ik uit op 1,47 miljard G80's

[Wouter-KNET]

Je vergeet nu alleen de extra 0 van 10 miljard miljard.
De uitkomst is dan 14,7 miljard. Afgerond dus 15 miljard G80 cores zoals KoppenSneller hierboven al zei.

[Verwijderd]

Waarom noemen ze het beestje dan niet bij de naam: Triljoen?

[Verwijderd]

10^18 misschien makkelijker?

[Koppensneller]

er staat 2x miljard

Dat zijn dus 15 miljard G80 cores, das al ietsje meer!

[Dutch_Razor]

Die Japnners die er geen brood in zagen moeten wel tot vandaag de dag een ongetwijfeld *headdesk* momet hebben

[dtech]

Toch denk ik dat ze gelijk hadden. Als ze een rekenmachine (a la calc.exe) willen vragen ze niet om een complete x86 (nou ja, ongeveer) processor, maar om een chip die een aantal mathematische basisfuncties kan doen.