Transistorer giver din smartphone mere computerkraft end en måneraket
De færreste har set en transistor, selvom de er overalt omkring os. I en computer alene er der flere millioner, og den lille enhed, der er grundlæggende for al elektronik, har ganske enkelt muliggjort informationssamfundet.
transistor elektronik Motorola Apple Macintosh

Motorolas 68040-mikroprocessor blev brugt i Apples Macintosh-computere i begyndelsen af 1990’erne. Selve mikrochippen målte 13,2 × 14,2 mm og rummede cirka 1,2 millioner transistorer. (Foto: Gregg M. Erickson)

Motorolas 68040-mikroprocessor blev brugt i Apples Macintosh-computere i begyndelsen af 1990’erne. Selve mikrochippen målte 13,2 × 14,2 mm og rummede cirka 1,2 millioner transistorer. (Foto: Gregg M. Erickson)

Partner 50 opfindelser - Højdepunkter i teknologien

Denne bog fortæller teknologiens udviklingshistorie i stort og småt. Læs med om toilettet, pengene, telefonen og bogtrykkerkunsten.

Man kan med god ret sige, at elektronikkens tidsalder begyndte, da amerikaneren Lee de Forest (1873-1961) opfandt trioden i 1906.

Den var et såkaldt radiorør med tre elektroder, der fungerede som en elektrisk ventil, hvor en lille strøm kunne regulere en stor strøm svarende til, at den lille strøm blev forstærket.

Muligheden for at forstærke svage elektriske signaler rummede uanede potentialer.

  • I første omgang kunne man bygge mere følsomme radiomodtagere
  • Det blev også muligt at forstærke strømmen i telefonledninger, så man kunne tale over meget lange afstande
  • Desuden begyndte man at udvikle alle mulige kredsløb til at styre dette og hint 

Eksempelvis var de første computere bygget med radiorør.

Fordele og ulemper

Radiorørene havde mange fordele, men de var også ret store, temmelig upålidelige, forholdsvis dyre og brugte en masse strøm.

Derfor var der flere opfindere, som fra midten af 1920’erne, forsøgte at lave en komponent, der kunne det samme som radiorør, men i stedet var baseret på såkaldte halvledere. Altså faste stoffer, som hverken er ledere (for eksempel kobber) eller isolatorer (for eksempel plast).

transistor Bardeen Shockley Brattain

Fra venstre ses John Bardeen, William Shockley og Walter Brattain. Billedet er fra en serie fotografier taget af folkene ved Bell laboratorierne forud for offentliggørelsen af den nye opfindelse, transistoren, i juni 1948. (Foto: AT&T; photographer: Jack St./Wikipedia)

Efter 2. Verdenskrig begyndte man på Bell Laboratorierne, telefonselskabet AT&T’s forsknings- og udviklingscenter, målrettet at konstruere sådan et 'halvlederradiorør'.

Med i arbejdet var blandt andre fysikerne William Shockley (1910-1989), Walter Brattain (1902-1987) og John Bardeen (1908-1991). Shockley, projektets leder, var den visionære, som indså halvlederteknologiens muligheder. Brattain var pilfingeren, der kunne bygge indviklede eksperimenter og få dem til at fungere, mens Bardeen var hjernen, der kunne indse og forklare, hvorfor det fungerede. Tilsammen var de et perfekt team.

De angreb problemet ved at undersøge, hvordan strømmen løber i en halvleder under forskellige betingelser.

En storslået julegave i 1947

Op mod julen 1947 opdagede Brattain og Bardeen, at de kunne opnå en lille strømforstærkning, hvis de anbragte to guldelektroder ekstremt tæt på hinanden på en germaniumkrystal, som så udgjorde den tredje elektrode.

transistor Bardeen Shockley Brattain Bell radio

Verdens første transistor fra 1947 (replika). Den kaldes en punktkontakttransistor, da de to stykker guldfolie på kanterne af plastiktrekanten rører germaniumkrystallen nederst i næsten samme punkt. (Foto: Bell Labs)

Da de den 23. december præsenterede den nyopfundne transistor for deres kolleger, udbrød Shockley, at det var en storslået julegave.

Den nærtagende Shockley blev dog hurtigt utilfreds med, at opfindelsen blev krediteret Bardeen og Brattain, da han følte, at de havde konstrueret transistoren bag hans ryg.

For at vise, hvem der var den egentlige hjerne i projektet, satte han Bardeen og Brattain til det administrative arbejde med patentansøgningen og opfandt selv en ny type transistor, som var betydeligt mere robust og lettere at producere end den oprindelige type. Derfor blev de alle tre tildelt Nobelprisen i fysik i 1956 »for deres forskning i halvledere og opdagelsen af transistoreffekten«.

De første par år blev opfindelsen brugt i begrænset omfang. Transistorerne var så vanskelige at producere, at kun cirka hver femte virkede, resten måtte kasseres.

Så de var ofte dyrere end de radiorør, de skulle erstatte.

Blev først brugt i militæret

De første transistorer blev derfor hovedsagelig brugt til militære formål og i enkelte andre sammenhænge, hvor størrelsen var vigtigere end prisen, eksempelvis i høreapparater.

transistorradio innovation Bell

En tidlig reklame for en transistorradio. (Foto: Jon Haupt)

Men i løbet af 4-5 år var de værste startvanskeligheder overstået, hvorefter nye elektronikprodukter så dagens lys, blandt andet transistorradioer.

Den første kommercielle model, Regency TR1, kom på markedet i november 1954. Det var en fiks lille AM-radio, som målte cirka 8 x 13 x 3 cm og var udstyret med fire transistorer.

Den blev produceret af Texas Instruments i samarbejde med firmaet IDEA og solgt til en pris af 49,95 US dollars (cirka 3.000 kroner i 2015). På trods af prisen blev der solgt omkring 150.000 eksemplarer.

Succesen skyldtes dog nok snarere nyhedens interesse og radioens statusværdi end dens tekniske kvalitet. Men TR1’eren viste vejen, og i de følgende år blev markedet oversvømmet af relativt billige og driftssikre transistorradioer i forskellige størrelser og udformninger.

Den store betydning for ungdommen

Transistorradioens betydning for ungdomskulturen i 1950’erne og 1960’erne kan næppe overvurderes. Den lille, batteridrevne radio gjorde musikken bærbar, og det revolutionerede måden, man lyttede til den på.

Hvor radioen tidligere havde været et møbel i hjemmet, kunne teenagerne nu tage den med sig, væk fra forældrenes misbilligende ører, så de selv kunne bestemme, hvad de ville høre. Valget faldt ofte på den nye rock’n’roll-musik, som fik sit gennembrud, da transistorradioen kom frem.

De korte, friske sange med distinkt sound og gode omkvæd passede perfekt til de bærbare radioers ikke altid overbevisende lydkvalitet. Så selv om Brattain tog det fortrydeligt op, at transistoren havde stimuleret rock’n’roll-musikken, blev numre som 'Rock Around the Clock' og 'Shake, Rattle and Roll' hjulpet godt på vej af transistorradioen, som i det hele taget blev formidler af de kulturelle, sociale, økonomiske og politiske omvæltninger, der fulgte i rockmusikkens kølvand.

Musikken skabte efterspørgsel

Den store efterspørgsel, som musikken skabte, kombineret med muligheden for at individualisere musikforbruget bidrog til at gøre transistorradioen til elektronikindustriens hidtil største succes.

Det stimulerede også salget, at der var nogle meget store årgange af unge, de såkaldte baby boomers, som takket være stigende velstand udgjorde et købedygtigt marked.

Det anslås, at der blev produceret flere milliarder transistorradioer i 1960’erne og 1970’erne. Siden da er radiofunktionen i stigende grad blevet integreret i andre typer bærbare lydafspillere.

transistorradio innovation Bell strøm

Transistorer, som her er gengivet i naturlig størrelse, ser ikke ud af meget, men de er grundlaget for mange af de apparater, vi bruger i hverdagen. Nogle er baseret på germanium, andre silicium. De øverste kan monteres på en køleplade, så de kan tåle en større strøm. (Foto: AU-Foto, Steno Museet)

Komponenter bliver mindre

Både transistorradioen og anden masseproduceret forbrugerelektronik har bidraget til transistorens enorme udbredelse. Men transistorens altomfattende indtrængen i vores dagligdag hænger også sammen med opfindelsen af det integrerede kredsløb.

I forbindelse med introduktionen af de små transistorer skete der en generel miniaturisering af de komponenter, som indgår i elektroniske kredsløb.

De skulle dog stadig forbindes med hinanden, og det skete stadig oftere, at ledningerne mellem komponenterne kom til at fylde uforholdsmæssigt meget.

Mikrochippen: Alt på ét sted

Derfor foreslog den britiske elektronikingeniør Geoffrey Dummer (1909-2002) i 1952 at opbygge elektroniske kredsløb ved at skabe både de nødvendige komponenter og forbindelserne mellem dem direkte i ét stykke halvledermateriale.

I efteråret 1958 lykkedes det den amerikanske ingeniør Jack Kilby (1923-2005) at realisere dette såkaldte integrerede kredsløb, kort efter at han var blevet ansat hos Texas Instruments.

Med udgangspunkt i en af de små germaniumplader, som firmaet brugte til fabrikationen af transistorer, konstruerede han alle komponenterne til et kredsløb på et og samme germaniumstykke.

Selv om der var tale om en primitiv prototype, var konstruktionen så banebrydende, at Kilby i 2000 fik Nobelprisen for opfindelsen af det integrerede kredsløb eller mikrochippen, som det også kaldes.

    Smart - men dyrt at producere

    Nutidens mikrochips er dog af en anden type end Kilbys. I 1959 fandt den amerikanske fysiker Robert Noyce (1927-1990) nemlig på en udformning, som løste mange af problemerne i Kilbys version.

    Den nye type var baseret på en siliciumkrystal og havde den fordel, at hele det integrerede kredsløb kunne konstrueres med fotografiske teknikker, hvor man lag for lag opbyggede de enkelte komponenter enten ved at pådampe eller bortætse materiale.

    Robert Noyce mikrochip motherboard

    Robert Noyce med motherboard. (Foto: Intel Free Press)

    Siliciumchippen, som typisk er på størrelse med en fingernegl, bliver normalt monteret i en lille æske af metal, keramik eller plast, hvorpå der sidder en masse ben.

    Der var mange fordele ved at benytte integrerede kredsløb, men i begyndelsen var der store problemer med at producere dem, hvilket gjorde dem temmelig dyre.

    Derfor blev de første mikrochips kun brugt til særlige formål. Indtil 1963 opslugte månerejseprojektet Apollo og de atombevæbnede Minuteman-missiler stort set hele den begrænsede produktion.

    Fremtiden for transistorer 

    Siden de integrerede kredsløbs fremkomst har producenterne forsøgt at presse stadig flere transistorer ind på den samme plads. I 1971 lykkedes det flere chipproducenter at skabe over 2.000 transistorer på en enkelt chip, hvilket var nok til, at alle de centrale dele af en computer kunne være på den.

    ForskerZonen

    Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

    ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

    Disse såkaldte mikroprocessorer blev i begyndelsen brugt til lommeregnere, printere og mindre automatiksystemer. Men efterhånden som de blev videreudviklet, gjorde de det også muligt at bygge computere, som ikke fyldte et helt lokale, men kunne nøjes med et skrivebord.

    Intels Pentiumprocessor fra 1993, som typisk blev brugt i pc’er, bestod af godt 3 millioner transistorer. I 2014 blev der produceret mikroprocessorer med over en milliard transistorer.

    Vore dages potente mikrochips er grundlaget for, at en smartphone rummer væsentlig mere computerkraft, end astronauterne havde til rådighed i Apollo-projektets måneraketter.

    Fra 5 til et par milliarder computere

    Denne utrolige udvikling blev forudsagt i 1965, da Intels medstifter Gordon E. Moore (f. 1929) gættede på, at tætheden af transistorer på mikrochips ville blive fordoblet cirka hvert andet år.

    Mikrochips er overalt

    Mikrochips bruges også i mange andre sammenhænge, som måske er knapt så åbenlyse, men ikke mindre vigtige, for eksempel selvspillende fødselsdagskort, vaskemaskiner, biler, industrirobotter, medicinsk udstyr, flyvemaskiner og satellitter.

    At vidt forskellige produkter på denne måde er blevet smarte, har ændret vores tilværelse radikalt i de seneste årtier. Det ville næppe gøre den store forskel i vores hverdag, hvis atomkraften ikke var blevet opfundet, hvorimod ufattelig mange ting ikke ville fungere, hvis vi lige pludselig ikke havde transistorer.

    Det har holdt stik indtil videre, og samtidig med, at der er blevet stadig mere regnekraft til rådighed pr. chip, er prisen faldet drastisk.

    Det er den primære forklaring på, at der i 2015 anslås at være et par milliarder computere i brug verden over, selv om IBM’s bestyrelsesformand Thomas Watson (1874-1956) i 1943 angiveligt vurderede, at der ville være et verdensmarked på cirka 5 computere.

    Til hans forsvar kan dog siges, at han tænkte på store og dyre videnskabelige regnemaskiner baseret på radiorør og ikke vidste, at computere, takket være mikrochips fyldt med transistorer, ville blive et billigt og praktisk hjælpemiddel i dagligdagen.

     

    Videnskab.dk Podcast

    Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


    Se den nyeste video fra Tjek

    Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

    Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.