De Transistor

Eigenlijk is een transistor niets anders dan een elektronische schakelaar. Toch is hij in hedendaagse elektronische apparaten het belangrijkste element. Er zijn meer transistoren in onze directe omgeving aanwezig dan we misschien zouden denken. Een elektrisch polshorloge met wijzers zal er enkele tientallen bevatten. Een digitaal horloge enkele honderden tot duizenden, afhankelijk van hoeveel foefjes erop zitten. In de Dual-Core Itanium, de nieuwste chip van Intel die het hart vormt van grote netwerkcomputers, zogenaamde servers, zitten er grofweg anderhalf miljard. Je kunt overigens in de elektronica-hobbywinkel bouwpakketjes kopen waarmee je met slechts één transistor, zo klein en zwart als een dubbelzout dropje, een echte AM-radio kunt bouwen.

Om de werking van elektrische elementen duidelijk te maken, vergelijken elektrotechnici ze graag met waterleidingsystemen. Stel je voor, een grote stad als Nijmegen of Groningen zou van water worden voorzien door één grote leiding, met één kraan om de watertoevoer te regelen. Die kraan zal zo groot zijn, dat je die met je blote handen niet open of dicht kunt draaien. Daarom bouw je de kraan zo dat je hem kunt bedienen met waterkracht, en wel vanuit een gewone tuinslang die je aan een huis-tuin-en-keukenkraantje vastmaakt. Dit systeem doet in feite hetzelfde met water als een transistor doet met elektrische stroom: door er een klein stroompje doorheen te sturen, kun je in een andere leiding een grote stroom regelen.
De naam 'transistor' is een samentrekking van 'transconductance' en 'varistor', wat weer een samentrekking is van 'variable resistor'. De naam zegt dus precies wat het element doet: het dingetje is een variabele weerstand (in het Engels: 'variable resistor'), waarvan de geleiding ('conductance') wordt overgedragen vanuit een ander signaal. De naam is in 1948 bedacht door John R. Pierce, een van de medewerkers van het Amerikaanse Bell Laboratories. Bell heeft een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van de transistor.
Dat de transistor zo'n veelgebruikt element is, heeft een paar redenen. Om te beginnen zit de grondstof, silicium, in grote hoeveelheden in gewoon zand. Daarnaast is de transistor uit één stuk vervaardigd. Hij kan tegen een stootje en gaat hij relatief lang mee. Bovendien is het tegenwoordig mogelijk ze heel erg klein te maken. Daardoor kan men er een heleboel tegelijk maken tegen een lage prijs. Maar misschien wel het belangrijkste: de transistor biedt zo ontzettend veel mogelijkheden. De transistor kan versterken en schakelen, en met die twee functies kun je heel veel verschillende apparaten bouwen.
Het overgrote deel van de transistoren in deze wereld zit in digitale schakelingen zoals computers en mobiele telefoons. Digitaal wil zeggen dat deze apparaten informatie verwerken en opslaan die gecodeerd is in nullen en enen. Daarbij is afgesproken dat een 1 overeenkomt met een elektrische stroom en dus met een openstaande transistor, en een 0 met een onderbroken stroom ofwel een gesloten transistor. Als een digitaal apparaat deze informatie op een zinvolle manier moet kunnen verwerken, dan moet het beschikken over een opslag. Daarvoor dient de condensator. Die is te vergelijken met de watertoren in het waterleidingsysteem. Net als bij een watertoren, moet je een kraan of transistor openzetten om hem te vullen. Maar als er eenmaal elektrische lading in zit, dan kan het er vanzelf weer uitkomen - als je de juiste transistor tenminste openzet. Met de lading die erin zit, kunnen vervolgens andere transistoren worden aangestuurd.
Transistoren behoren tot de zogenaamde halfgeleiders. Dat zijn materialen die weliswaar elektrische stroom geleiden, maar alleen onder specifieke omstandigheden. De meeste halfgeleiders zijn gemaakt uit silicium, waarin chemische trucs zijn toegepast om te zorgen dat de stroomgeleiding zich precies op de juiste manier gedraagt. Omdat deze trucs in het algemeen slechts op een klein gebiedje van het silicium moeten worden toegepast, wordt gebruik gemaakt van fotolithografie. Dit lijkt erg op het ontwikkelen van foto's. Daar waar iets moet veranderen, wordt met licht geschenen, en alleen op die plekken doet vervolgens een chemisch bad zijn werk.
Het mooie aan fotolithografie is dat er niet alleen individuele transistoren zijn te maken, maar dat het ook mogelijk is om er aantal op een siliciumplaat naast elkaar te leggen. Leidingen en condensatoren zijn op dezelfde manier te maken. Zo kan een elektronische schakeling als één geheel worden gebouwd: het geïntegreerde circuit, integrated circuit of kortweg: de chip, een schijfje silicium van een paar millimeter groot.
Het technisch-wetenschappelijk en economisch belang van de transistor is voor Nederland groot geweest. Hoewel Philips in 2006 zijn halfgeleiderdivisie in de verkoop deed, heeft het de afgelopen halve eeuw een rol van betekenis gespeeld: alle grote elektronicafabrikanten gebruiken wel onderdelen van Philips. En NXP, zoals de verzelfstandigde divisie nu heet, heeft meer dan 25.000 patenten op zijn naam staan en had in 2005 een omzet van 4,8 miljard euro. Een ander groot bedrijf in Nederland is ASML uit Veldhoven, fabrikant van lithografische machines. Deze machines voeren het fotolithografische productieproces snel en efficiënt uit. Per uur bewerken ze tot enkele honderden siliciumplaten waarop meerder chips tegelijk worden gefabriceerd, vaak complete computerprocessoren. ASML heeft klanten over de hele wereld. Het bediende in 2005 58% van de wereldmarkt voor fotolithografische machines en had in dat jaar een omzet van 2,5 miljard euro.
In de loop der tijd zijn transistoren steeds kleiner geworden, waardoor er steeds meer op een chip passen. Het eerste geïntegreerde circuit van halfgeleiders wordt toegeschreven aan Jack Kilby van Texas Instruments in 1958. De Wet van Moore stelt dat elke achttien maanden het aantal transistors op zo'n chip, en daarmee de rekencapaciteit van de chip, verdubbelt. Dit betekent dat in de afgelopen vijftig jaar een groei plaatsvond met een factor tien miljard, en dat blijkt heel redelijk te kloppen. Transistoren zijn steeds kleiner, goedkoper en betrouwbaarder geworden. Op dit moment zijn de kleinste transistoren op zo'n chip niet groter dan 50 nanometer; daarvan gaan er dus 20.000 in een millimeter! Dankzij deze ontwikkeling hebben we nu bijna allemaal een eigen pc en een mobieltje, en zijn televisies en radio's voor iedereen betaalbaar.
Overigens doen zich juist bij dat kleiner maken een paar problemen voor. Kleiner dan klein is op den duur niet mogelijk: atomen hebben bepaalde afmetingen en het is niet mogelijk om dingen te maken die kleiner zijn dan die atomen. Maar zelfs voordat die afmetingen bereikt worden, dienen zich al andere problemen aan. Als materialen zo klein zijn, blijken ze zich anders te gedragen dan wanneer ze een tastbare grootte hebben: er treden zogenaamde kwantumeffecten op. Ook het gedrag van het licht dat wordt gebruikt bij het fotolithografische productieproces, vormt op die hele kleine schaal een probleem. Het gaat met name niet meer zo mooi rechtdoor als wanneer je met een zaklamp door de nacht schijnt.
Om deze problemen te overwinnen zullen wetenschappers op zoek moeten naar nieuwe materialen en nieuwe productiemethoden. Wetenschappers zitten dan ook niet stil om transistoren toch nog wat kleiner te kunnen maken. Aan de Technische Universiteit Delft zijn onderzoekers er in 2001 in geslaagd om een transistor te bouwen waarbij één elektron (de kleinste hoeveelheid elektrische lading die voorkomt) het verschil maakt tussen een transistor die aan staat en een die uit staat. Deze is opgebouwd uit nanobuisjes van koolstof. Het voorvoegsel 'nano-' wordt gebruikt voor technologieën die afmetingen hebben van enkele tientallen tot honderden nanometers. Nanotechnologie is op dit moment big business, ook op het gebied van elektronica zijn de verwachtingen hooggespannen. Deze transistoren zijn nog niet zo klein als de kleinste van 50 nanometer, maar wellicht lukt dat op den duur wel.
Anderen proberen bijvoorbeeld biologische processen in te zetten bij de productie van transistoren. Israelische wetenschappers slaagden er in 2003 in om langs biologische weg een enkelvoudige transistor op basis van koolstof nanobuisjes te maken. Zij maakten daarbij gebruik van het proces dat normaalgesproken verantwoordelijk is voor het vertalen van DNA-code naar eiwitten, een proces dat in elke levende cel voorkomt.
Vanwege de veelzijdigheid van de transistor zal de toepassing niet beperkt blijven tot apparaten die we nu kennen. Sinds kort worden sensoren bijvoorbeeld rechtstreeks meegebakken in een chip. Zo ontstaat een apparaatje dat de informatie van een sensor ter plekke verwerkt: een 'chiplaboratorium' ofwel Lab-on-a-Chip. Als zo'n chip maar klein genoeg gemaakt wordt, is het mogelijk een compleet laboratorium in ons lichaam in te brengen.
Elektriciteit zal naar verwachting nog wel enige tijd de belangrijkste manier zijn om informatie op te slaan en door te sturen. Er wordt wel onderzoek gedaan naar alternatieven, bijvoorbeeld schakelingen op basis van licht (de zogenaamde fotonica). De eerste lichtprocessor ligt echter nog niet in de winkel. En zolang elektriciteit een rol speelt, zal de transistor een belangrijke basiscomponent blijven.

geschreven door Govert Valkenburg op 26-01-2007