RAZGOVORNIK

BIPOLARNI TRANZISTOR

144 pregleda

„Kad su napravljeni prvi tranzistori, niko nije ni slutio kuda će nas sve to odvesti. Ispostavilo se da ova tehnologija ima potencijal da se menja i unapređuje, i da može veoma daleko da nas odvede – sve do današnjih računara”, kaže prof. dr Predrag Pejović sa Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu.

Krajem juna 1948. godine visokotehnološka kompanija „Belove laboratorije” saopštila je javnosti da su njena tri istraživača došla do senzacionalnog pronalaska – bipolarnog tranzistora. Za ovu sićušnu napravu, nimalo atraktivnog izgleda ali ogromnih mogućnosti, Vilijam Šokli, Džon Bardin i Volter Braten dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1956. godine. Međunarodna organizacija IEEE Electron Devices Society, koja okuplja inženjere elektronike, ove godine proslavlja 75 godina od otkrića bipolarnog tranzistora. Ovaj planetarni jubilej Elektrotehnički fakultet u Beogradu obeležio je 3. novembra, naučnostručnim skupom „75 godina od patentiranja bipolarnog tranzistora: na horizontu događaja i iza njega”, proslavivši ujedno i svoj 75. rođendan. U Svečanoj sali na prvom spratu zgrade tehničkih fakulteta, zainteresovani su mogli da saznaju više o pronalasku posle koga ništa nije bilo isto.

Prvo i veoma zanimljivo predavanje na ovom skupu, pod nazivom „Doba poluprovodnika: kada, zašto, gde i kako je počelo?”, održao je prof. dr Predrag Pejović, redovni profesor sa Katedre za elektroniku Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu. Dr Pejović je osnovne i magistarske studije završio u Beogradu, zatim se usavršavao u SAD i doktorirao na Univerzitetu države Kolorado u Boulderu. Jedan je od najvećih stručnjaka u oblasti elektronike, a njegovo ime nalazi se i na Stanfordovoj listi najboljih naučnika na svetu. Povodom ovog planetarnog jubileja, okruženi raznim elektronskim komponentama i neobičnim uređajima u kabinetu 102a, sa profesorom Pejovićem smo razgovarali o tome kako je došlo do pronalaska bipolarnog tranzistora, zašto je ovaj izum tako značajan i na koje je sve načine promenio svet.

Možete li da nam kažete kako je došlo do pronalaska bipolarnog tranzistora?

Sudeći prema onome što znamo, to otkriće je bilo „u vazduhu“. Džulijus Edgar Lilijenfeld je još dvadesetih godina prošlog veka patentirao nešto što nije uspeo da napravi, iako je zvučalo kao prilično logično: da pomoću električnog polja kontroliše provodnost poluprovodničkog materijala. On je koristio neke okside bakra sa željom da napravi poluprovodničku triodu. Dakle, već tada su postojale neke ideje u tom smeru.

Još jedna potvrda da je primena poluprovodnika bila „u vazduhu“ su značajna otkrića Olega Loseva u periodu između dva svetska rata, u kojima je proučavao jednoportne elemente i došao do dioda koje emituju svetlost i tunelskih dioda pomoću kojih je realizovao oscilatore. Čak je korektno predvideo da će kvantna mehanika objasniti detalje procesa u njegovim napravama. Nažalost, Oleg Losev je umro od gladi 1942. godine tokom opsade tadašnjeg Lenjingrada, ne navršivši 40 godina.

Vilijam Šokli je čitao Lilijenfeldove patente i pokušavao je da ih realizuje, ali su ti pokušaji bili neuspešni. Šoklijev kolega Džon Bardin je, kao teoretičar, neuspeh Lilijenfeldovih zamisli objašnjavao površinskim stanjima, smatrajući da se na površini materijala stvara jedan sloj nosilaca koji dalje sprečavaju prodor električnog polja u poluprovodnik. U jednom od brojnih eksperimenata, tokom kojih su pokušavali da mere razne parametre kako bi bolje razumeli poluprovodnike, Volter Braten je greškom skinuo oksid germanijuma, koji je trebalo da obezbedi izolaciju. Ne znajući da nema tog oksida, Braten je povezao strujno kolo i eksperimentalno je primetio pojačanje. Ovo slučajno otkriće pokazalo im je u kom smeru treba da nastave istraživanje.

Cilj im je bio da bolje razumeju provođenje u poluprovodnicima i da naprave nešto nalik poluprovodničkoj kristalnoj triodi. Zašto? Zato što su elektronske cevi, koje su u to vreme korišćene, bile energetski neefikasne. One su se grejale i ta neželjena toplota je morala da se odvodi. Ukoliko biste, recimo, uključili sijalicu da svetli, vlakno mora da se usija. A ako je napolju visoka temperatura, toplota sijalice vam nije potrebna, ali to je cena koju morate da platite za njenu svetlost. Zato su Šokli, Bardin i Braten hteli da naprave poluprovodničku triodu, a da bi im to pošlo za rukom, morali su da razumeju provođenje struje u poluprovodnicima i kako se na njega može uticati. U tome im je pomoglo Bratenovo slučajno otkriće. Na osnovu njega su zaključili da postoji način da se u poluprovodnik unesu slobodni, pokretni, nosioci naelektrisanja. Rezultat ovog slučajnog otkrića bio je prvi kontaktni bipolarni tranzistor, a malo kasnije je Šokli izumeo i usavršenu, slojnu varijantu tranzistora. Naravno, kad su napravljeni prvi tranzistori, niko nije ni slutio kuda će nas sve to odvesti. Ispostavilo se da ova tehnologija ima potencijal da se menja i unapređuje, i da može veoma daleko da nas odvede – sve do današnjih računara.

Vilijam Šokli, Džon Bardin i Volter Braten dobili su za pronalazak bipolarnog tranzistora Nobelovu nagradu za fiziku 1956. godine. Možete li nam reći nešto više o ovom autorskom triju i njihovoj daljoj sudbini?

Sva trojica su radili u „Belovim laboratorijama”. Bardin i Šokli su bili teorijski fizičari, dok je Braten bio eksperimentalni fizičar, ali i drugačiji karakter od ove dvojice. On je bio miran čovek, koji se sjajno zabavljao dok je radio u laboratoriji. Braten i Bardin su bili bliski saradnici i slično su razmišljali, dok je Šokli bio njihov šef i čovek sa izraženim takmičarskim duhom. Taj njegov takmičarski duh, kao i činjenica da se njegovo ime nije našlo na patentu bipolarnog tranzistora, na kraju je dovelo do toga da se njih trojica posvađaju i raziđu. Bardin je prešao na Univerzitet Ilinois Urbana-Šampejn, gde je počeo da proučava superprovodljivost, koja je u to vreme bila prilično nejasan fenomen. Na kraju je za otkriće u oblasti superprovodnika dobio drugu Nobelovu nagradu za fiziku 1972. godine. On je jedina osoba u dosadašnjoj istoriji koja ima dve Nobelove nagrade za fiziku.

Šokli je ostao da radi još relativno kratko vreme u „Belovim laboratorijama” (napustio ih je 1953), a zatim je 1956. okupio nove saradnike i osnovao kompaniju Shockley Semiconductor Laboratory. Zanimljivo je da je to bila prva visokotehnološka kompanija u onome što danas nazivamo Silicijumskom dolinom. Na kraju krajeva, zbog Šoklija je i nazvana Silicijumskom dolinom, jer je on prvi počeo da radi sa silicijumom i propagirao je njegovu upotrebu, pošto je uvideo da ima bolja svojstva od germanijuma, koji se dotad koristio. Kasnije je Šokli otišao na Stanford i tamo ostao profesor do penzije.

U jednom predavanju koje je držao sedamdesetih godina prošlog veka, dok su postojali samo televizori sa katodnom cevi, Šokli kaže da će možda jednog dana tehnologija poluprovodnika dovesti do toga da imamo ravne ekrane, koji nemaju dugačak elektronski snop iza. To je Šokli pričao sedamdesetih godina. I evo, vidite, sad se mnogi više i ne sećaju televizora koji su imali onu veliku dubinu, sa heklanim miljeima na vrhu. U jednom trenutku, svi monitori su zamenjeni. Današnja deca ne znaju kako je taj stari televizor izgledao. Gotovo neosetno tehnologija se promenila i dobili ste nešto novo. I onda su ljudi počeli da to koriste ne razmišljajući šta je bilo pre i kako je bilo pre.

Da li je bipolarni tranzistor najznačajniji pronalazak 20. veka?

Od mene bi se očekivalo da sad, kao elektroničar, kažem: da, jeste. Ali ja ne volim takmičarski duh Šoklija. Ne volim takva poređenja. Šta je to najvažnije u 20. veku? Moja baba je umrla od tuberkuloze, za nju je streptomicin pronađen sa dve godine zakašnjenja. Da je kojim slučajem streptomicin pronađen dve i po godine ranije, u njenoj svesti bi streptomicin bio najveće otkriće 20. veka. Imate još jedno značajno otkriće koje ljudi retko primećuju, a to je Haberov proces proizvodnje amonijaka iz azota iz vazduha. I sad se ljudi pitaju: kakve veze ima taj amonijak, šta će mi amonijak? Ne kupujem ga. Pa ne kupujete ga direktno, ali ga kupujete indirektno jer se pomoću amonijaka prave veštačka đubriva i zemljištu se nadoknađuju hranljive materije koje ste kroz poljoprivrednu proizvodnju izvlačili iz njega. I Haberov proces je, u suštini, nahranio milione ljudi, iako ga danas uzimamo zdravo za gotovo.

Drugim rečima, to šta je najveće otkriće je vrlo subjektivno. Čak i da kažete da je bipolarni tranzistor najveće otkriće, postavlja se pitanje: a koji bipolarni tranzistor? Imate slojni tranzistor, koji je napravio Šokli, koji se proizvodio i bio dominantan tranzistor bar 30 godina, koji se čak i danas proizvodi i koristi za niz stvari, ali nije više dominantan. Ili onaj kontaktni tranzistor koji je prvi pokazao da je moguće dobiti tranzistorski efekat, odnosno moguće dobiti pojačanje.

Međutim, ono što je sasvim sigurno veoma značajno nije samo tranzistor, nego tehnologija poluprovodnika. Jer da bi se došlo do današnjih integrisanih kola, za to je bio potreban ogroman kolektivni doprinos velikog broja pronalazača. To je jedan dug niz. A šta bi oni uradili bez otkrića kvanta Maksa Planka? A kako bi Maks Plank došao do kvanta da nije bilo Maksvelove statističke mehanike? To je upravo ono što je rekao Njutn: „Mogli smo da vidimo dalje jer smo stajali na ramenima divova”. Mada ja više volim reči Jovana Jovanovića Zmaja „gde ja stadoh, ti produži” nego „stajanje na ramenima divova”. Nauka zapravo funkcioniše tako. Tako mi napredujemo. Ne izmišljamo stvari iznova svaki put, nego se oslanjamo na prethodnike, izaberemo ono što je bilo dobro, to se kroz obrazovni proces u jednoj kondenzovanoj formi prenese i onda vi nastavljate dalje.

Cela kvantna fizika je bila veliki kolektivni napor. Mnogo ljudi je dodavalo po jednu ciglu u tu građevinu kvantne fizike. I onda je to narastalo, narastalo, pa se pojavila tehnologija koja se na njoj zasniva i ta tehnologija se pokazala uspešnom, pokazala je da ima ogroman potencijal da se unapređuje i širi. I tako smo došli do današnjih računara koji menjaju našu svest i do informatičke revolucije koju ja vidim kao industrijsku revoluciju Platonovog sveta ideja.

Možete li da nam pojasnite šta mislite pod tim „industrijska revolucija Platonovog sveta ideja?

Kao mlađi nisam bio baš neki ljubitelj filozofije i mada sam razumeo šta je Platon hteo da kaže, nisam to zaista osećao. Međutim, sada se jasno vidi šta je hteo da kaže. Ideje su oslobođene materijalnog nosioca, one se sada prenose internetom. Jednostavno, one postaju jedan drugačiji entitet. Proizvodnja u kojoj vam je proiz vod materijalni objekat razlikuje se od proizvodnje u kojoj vam je proizvod ideja koju možete da prenesete, koja se lako kopira, koja se lako širi. Industrijsku revoluciju sveta ideja sprovela je upravo računarska tehnika, a ona je, uvezana sa telekomunikacijama, svemu dala drugačiju društvenost. Telekomunikacije su računare međusobno povezale i oni više nisu zasebne jedinice, nego društvo za sebe.

U seriji Star Trek, koja se emitovala kad sam ja bio srednjoškolac, postoji neka svemirska rasa Borg. Pripadnici ove rase nisu zasebne jedinke, već su svi kolektiv. I oni svi u svojim glavama čuju jedni druge. I mi se otprilike pretvaramo u to, jer smo stalno na mreži, stalno gledamo šta drugi rade. Jednostavno, ljudska društvenost je postala drugačija zbog informatičke revolucije. To se vidi. Informatička revolucija je promenila i niz drugih stvari. Ona je automatizovala intelektualne poslove niskog nivoa.

U predavanju koje ste održali na naučnostručnom skupu „75 godina od patentiranja bipolarnog tranzistora: na horizontu događaja i iza njega današnju epohu nazivate „dobom poluprovodnika. Da li je ona počela pronalaskom bipolarnog tranzistora?

Sporno pitanje. Svako će vam odgovoriti različito. Prve poluprovodnike i njihova ispravljačka svojstva uočio je Karl Ferdinand Braun još 1874. godine, ali niko nije razumeo zašto se to dešava, a primena toga što je Braun opazio bila je prilično neizvesna. Čemu to može da služi? Onda je dvadesetih godina prošlog veka poluprovodnička dioda korišćena za jednu vrstu radija, ali je „izašla iz mode“ kada su uznapredovale elektronske cevi. Tokom Drugog svetskog rata, poluprovodnici (u formi diode) opet su korišćeni u radarskim sistemima, za mikrotalasno zračenje, pošto su mogli da rade na većoj frekvenciji od elektronskih cevi.

Pronalazak tranzistora, ovo što smo obeležavali na fakultetu, zapravo je otkriće prve aktivne komponente. Bardin i Braten su prvo uočili tranzistorski efekat, onda je Šokli krenuo to da teorijski razrađuje, pa su i svi drugi istraživači počeli da uskaču u tu oblast. I ta oblast je postala obećavajuća. Većina tranzistora danas su CMOS (tehnologija komplementarnog metaloksid-poluprovodnika), to nije bipolarni tranzistor, ali je zasnovan na poluprovodničkoj tehnologiji i nastao je evolucijom posle bipolarnog tranzistora. Počeci su bili vrlo skromni, ali se brzo pokazalo da tranzistori imaju veliki potencijal i, malo-pomalo, stepenicu po stepenicu, zahvaljujući doprinosu niza naučnika, mi danas imamo industrijsku revoluciju sveta ideja. Imamo revoluciju u računarima, revoluciju u telekomunikacijama, revoluciju u procesiranju električne energije, i na taj način je potpuno neosetno zamenjena tehnologija koja je postojala ranije.

 

Naravno, stara tehnologija nije sasvim odbačena. I od kamenog doba nam je ostao kamen, pa se još uvek nešto zida na bazi kamena, ali ne pravimo sekire od kamena. Nešto, što je zamenjeno nečim boljim, ulazilo je u istoriju i u muzejske kolekcije, a nešto novo je nastajalo. Tako da ja zaista mislim da je danas glavni nosilac promena poluprovodnička tehnologija, ali ne bih to vezao za jedan proizvod, za tranzistor, nego za ceo taj spektar saznanja koje je zasnovano na fizici i hemiji, na prirodnim naukama koje su tumačile poluprovodnike i koje su nam omogućile da razumemo njihova svojstva i da njima upravljamo. Niko nije mogao da sagleda koliko će računari postati moćni, koliko moćan računar imate u jednom mobilnom telefonu i koliko će taj moćan računar da vas povezuje sa celim svetom – ali to vam je sve infrastruktura. To je nešto kolektivno, to vam je onaj Borg iz Star Trek-a, to je zajednica ljudi, uglavnom nevidljivih, ne znamo ko su i šta su, ali smo svi povezani.

Da li se nazire neki kraj ovoj „epohi poluprovodnika?

Moj kolega Vladimir Milovanović našao je podatak na Stanfordovom sajtu kako je napredovala frekvencija takta računara. Frekvencija je prvo drastično rasla, ja se sećam vremena dok je bila 8 MHz, pa 12 MHz, pa 16 MHz, itd., a onda smo došli do 2,4 GHz, i tu se ustalila. Međutim, od 2002. ili 2003. godine gotovo da nema nikakvog progresa na tom planu. Da li su računari bolji otad? Jesu, drastično su bolji. Kako je to postignuto? Boljom organizacijom, boljim načinom optimizacije, itd.

Mislim da još nisu iscrpljene mogućnosti poluprovodničke tehnologije, da ona nije došla do svojih granica. Međutim, od onog trenutka kada se to zaista i desi, kada silicijum i dođe do svojih granica, biće potrebne godine da se sve mogućnosti ove tehnologije, da iskoristim kolokvijalni izraz iscede. Kada se iscrpe poluprovodnička tehnologija, mislim da će se još decenijama raditi na njenoj primeni i demokratizaciji. Različite primene, s druge strane, podstiču neke nove pravce razvoja tehnologije, koji su nepredvidivi. Drugim rečima, taj razvoj je dosta haotičan i spontan, ne odvija se baš po petogodišnjem planu.

Ali, da podvučem još jednom, ne vidim neki kraj razvoja poluprovodničke tehnologije niti vidim gornji limit toga šta će da se desi. Jer, kad mi kažu: to je kraj, neće moći da se spušta tehnologija čipa ispod ne znam ni ja koliko nanometara, ja im kažem: da, pa šta? Ja te nanometre ionako ne vidim, ja vidim primenu. Vidim da su, bez obzira na stagnaciju u frekvenciji takta kompjuterskih procesora, procesori sve bolji, imaju sve više jezgara, moj osećaj dok radim sa njima je da su sve brži i da sve više stvari mogu da uradim. Tako da ima tu još mnogo posla. Da citiram mog kolegu Vladu Milovanovića: „CMOS žurka još nije gotova. Naprotiv.”

(Foto Marko Risović)

(Elementi)

 

O autoru

administrator

Ostavite komentar