Geschiedenis van de transistor
Citation for published version (APA):
Nuijten, J. J. C. (1982). Geschiedenis van de transistor. Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1982
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
fiJNv
JP/f/87..
TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN
Afdeling der Elektrotechniek
B;8l..IOTHFE~<
8
2094S~T.H.EINOHOVEN
GESCHIEDENIS VAN DE TRANSISTORdoor J.J.C. Nuijten
Eindhoven juli 1982
i
.( '.-'1
SAMENVATTING VAN DE "GESCHIEDENIS VAN DE TRANSISTOR" VAN J.J.C. NUIJTEN
Periode 1900-1950
---De transistor is het resultaat van een complexe wisselwerking tussen de gebieden van de elektronische toepassingen, m.n. radio en radar, .de vaste-stof-fysica, m.n. het bandenmodel, en de halfgeleidertechnologie, m.n. het maken van zuivere eenkristallen.
In de jaren 1900/25 gaf de radio~mmunicatiede aanzet tot de
ontwikke-ling van de elektronische gelijkrichter, de diode, en de elektronische vermogensversterker, de triode.
De triode bestond de eerste veertig jaren aIleen in de vorm van een va-cuumbuis. Pogingen in de jaren 1925/40,om een vaste-stof-versterker te realiseren ter vervanging van de plompe en hete vacuUmtriode, faalden. WeI werden de unipolaire en de bipolaire transistor reeds in de tweede helft van de jaren 20 in grote trekken correct beschreven.
Dank zij het bandenmodel kregen de halfgeleiders in de jaren 30 een ei-gen plaats in de vaste-stof-fysica.
Een grote rem in zowel theorie als
1&
experiment was de gevoeligheidvan de elektrische eigenschappen van halfgeleiders voor verontreinigin-gen en onregelmatigheden in het kristalrooster.
De depletielaagtheorie van de jaren 30 gaf meer inzicht in de elek-trische werking van een metaal-halfgeleider-overgang. Onwetendheid van oppervlaktetoestanden stond een goede overeenkomst tussen theorie en experiment in de weg.
De Tweede Wereldoorlog gaf t.b.v. de radar een nieuwe impuls aan het halfgeleideronderzoek. Het onderzoek verschoof de aandacht van de sa-mengestelde halfgeleiders naar de intrinsieke halfgeleiders germanium en silicium. Er werden grote vorderingen gemaakt op het gebied van de kennis van silicium en vooral germanium en van de technologie van het zuiveren van deze materialen.
Na de Tweede Wereldoorlog bleken experimenten met vaste-stof-verster-kers, uitgaande van de depletielaagtheorie, met silicium of germanium als halfgeleider eveneens te falen. De theorie van de oppervlaktetoe-standen vulde het laatste theoretische hiaat. In 1947 werd een germa-nium puntkontakttransistor gerealiseerd. Deze was niet van het beoogde
unipolaire type, maar was bipolair.
Deze uitvinding zou van beperkte betekenis zijn gebleven als zij niet was gevolgd door de realisering van de lagentransistor. Shockley had
i i
de lagentransistor reeds v66r de bouw ervan exact beschreven volgens zijn theorie van de pn-overgang. Met zijn theorie verplaatste Shockley de aandacht van metaal-halfgeleider-overgangen naar pn-overgangen. De theorie vormde de basis van de revolutie in de halfgeleidertechnologie. De lagentransistor werd mogelijk met de produktie van zuivere
eenkris-tallen van germanium in 1950.
De ontwikkeling van de transistor zou in sterke wisselwerking met twee andere, parallel verlopende, technologische ontwikkelingen gebeuren, die van de digitale computer en die van de miniaturisatie.
Periode 1950-1955
---De industrielewereld nam in de eerste jaren na de bekendmaking van de uitvinding van de transistor een afwachtende houding aan. De produktie-problemen waren aanvankelijk weliswaar groot, en de eerste transistors waren een gebrekkig en duur produkt, maar in deze afwachtende houding school ook de onbekendheid met de transistor. Men zag de transistor als een vreemde vervanger van de vacuumbuis. De transistor vroeg om nieuwe produktiemethoden en een nieuwe visie op het ontwerpen van schakelingen, maar men zag haar niet als een geheel nieuw produkt met geheel nieuwe mogelijkheden.
Vooral in deze aanvangsfase was in de V.S. de militaire markt een grote stimulans.
De bereidheid van de Bell Laboratories, die de transistorontwikkelingen leidde, hun kennis ter beschikking te stellen leidde tot een doorbraak van de industriele belangstelling met het Bell symposium in 1952. Aanvankelijk was de transistor aIleen aantrekkelijk in toepassingen, waarin de voordelen t.o.v. de vacuUmbuis zwaar wogen, zoals in hoorap-paraten. De mogelijkheden van de transistor werden via een opeenvolging van innovaties geleidelijk vergroot. Belangrijke verbeteringen van de lagentransistor waren de legeringstransistor en vervolgens de "surface barrier" transistor. Deze brachten het frekwentiebereik van de transis-tor op gelijke hoogte met die van de ontvangbuis.
• • Zb~ • d
Pas ~n de tweede helft van de Jaren 50 W8& de trans~stor vol oende
be-~~~ oct.: !oe....1'>-C4.$
trouwbaarrvoor commerciele toepassingen in computers. 1ft ~ez81~e ~ij8
werd de transistor voldoende goedkoop voor de konsumentenmarkt, waar vooral de radio een groot aandeel .re'Hieri. ::z-c.l.l verl-le"'ven.
Intussen werd ook met silicium geexperimenteerd. De methoden voor het produceren van zuiver monokristallijn germanium werden verbeterd en ge-schikt gemaakt voor silicium. Silicium was moeilijker te bewerken dan
i i i
-germanium, maar bood het voordeel van een groter temperatuurbereik. In 1954, onverwacht snel, kwam de siliciumtransistor op de markt. Periode 1955-1960
In de jaren 1955/60 groeide de omzetwaarde van de halfgeleiders zeer snel, met vrijwel jaarlijks een verdubbeling. Van deze omzetwaarde was aanvankelijk minder, later meer dan de helft voor rekening van transis-tors (het overige kwam voor rekening van diodes). In 1959 evenaarde de omzetwaarde van halfgeleiders die van ontvangbuizen.
Deze periode is gekenmerkt door een snelle opeenvolging van innovaties in de halfgeleidertechnologie en daaraan gerelateerd een snelle opeen-volging van steeds betere transistortypen.
De invoering van het diffusieproces met gebruik van oxidemaskers was de belangrijkste innovatie, waarop verschillende verbeteringen volgden. Bekende diffusietransistors waren de "diffused-base" transsistor, de mesatransistor en de door Philips ontwikkelde POB-transistor.
In vier jaren tijd verbeterden frekwentiebereik, betrouwbaarheid en produktiekosten met een faktor 10. In frekwentiebereik, maar vooral in betrouwbaarheid steeg de transistor ver uit boven de gewone ontvangbuis
(voor zeer hoge frekwenties hadden echter speciale buizen, die werken
volgens een ander
verste~ngsprincipe,
de voorkeur).Pas in het begin van de jaren 60 zou de transistor de ontvangbuis ook in kosten overtreffen, in de tweede helft van de jaren 60 eveneens wat
het ruisniveau betreft
(?).
In temperatuurbereik en in hanteerbarever-mogens zou de transistor, gedwongen door fysische beperkingen, de min-dere blijven.
De mogelijkheid van massaproduktie was uiteindelijk het grootste belang van het diffusieproces.
In de elektr~>nische schakelingen waren de omhullingen "'~ de diskrete
\o{le."eel 'i~"l-Io."e., i·"..,. he-t l-iV'k:t~i"'! .le~1 -111.'" .is<- Wte'H-eI14tJ~cll""'j"Illle...t komponentenrare belangrijkste beperkende faktor in de miniaturisatie. De grootste beperkende faktor in de betrouwbaarheid van de steeds com-plexere elektronische schakelingen was het aantal soldeerverbindingen, en niet meer de betrouwbaarheid van de individuele komponenten zelf. De omhullingen en de soldeerverbindingen waren bovendien de produktie-kosten van resp. komponenten en schakelingen steeds meer gaan bepalen. Er werden methoden gezocht om deze beperkingen op te heffen door het gebruik van omhullingen en komponenten zoveel mogelijk te elimineren.
• • • • ,'I",,~de1/.C;. • •
gest1mu-iv
leerd vanuit de hoek van Defensie en Ruimtevaart.
De monolithische IC, gerealiseerd 1n 1958, zou het meest succesvol blijken. Raar doorbraak kwam met de toepassing van het planair proces. De IC was een commercieel produkt, waarvan het belang door de industri-ele wereld direkt werd erkend.
Hedtplanair proces, dat aanvankelijk voor de produktie van diskrete transistors werd ontwikkeld, werd het moeilijk beheersbare legerings-principe overboord gezet en het diffusieproces verder verbeterd; de mogelijkheden van massaproduktie werden verder vergroot. Ret planair proces kon aIleen worden toegepast op silicium: het siliciumtijdperk was nu definitief aangebroken.
Ret epitaxiale proces vulde het planair proces aan ter verbetering van het frekwentiebereik, het hanteerbaar vermogen en de mechanische
sterk-te van de transistors.
Inmiddels was de belangstelling voor de unipolaire transistor, met de belofte van eenvoudigere produktie en lager vermogenverbruik, weer op-geleefd. Tegen 1960 werden de jFET en de MOSFET gerealiseerd.
Periode 1960-1965
In de Amerikaanse halfgeleiderindustrie was in de jaren 1960/63 voor het eerst sprake van stagnatie in de groei. Een felle concurrentieslag en snelle prijsdalingen waren het gevolg. Tegelijkertijd began de Ja-panse import in de V.S. betekenis te krijgen en kregen de Amerikanen belangstelling voor de Europese en Japanse markten.
De toepassingsgebieden van de Amerikaanse transistors boden in 1963
het volgende beeld: bijna de helft van de omzetwaarde was voor rekening van Defensie (inclusief ruimtevaart), ruim eenderde deel ging naar in-dustriele toepassingen, waarvan de computers bijna de helft uitmaakten, bijna eenzesde deel ging naar konsumententoepassingen, overwegend radio's. In Europa en vooral Japan was de transistorproduktie veel meer gericht op de konsumentenmarkt.
Verdere halfgeleiderontwikkelingen t.b.v. het brede terrein van de sig-naalverwerking concentreerden zich rond de IC.
De produktiekosten van de IC's waren aanvankelijk zeer hoog. Juist tij-dens de malaise in de halfgeleiderindustrie overkwam de IC-industrie de hoge aanvangskosten, gesteund door de gretige militaire vraag.
De eerste IC's bevatten uitsluitend bipolaire transistors (naast diodes, weerstanden en condensators), maar vooral na 1970 zou men steeds meer overgaan op unipolaire transistors, waarmee meer miniaturisatie mogelijk
v
-was~ de f"{Jd<A.[d(~ eehVCW.rl,...¥l" ,
D,__
<\i'~e....py.ok- >'{o ...~«of!
e:yvkffL-
>J....kdJl-tett.e,..'cA va...J"./_/A,.',e
In de eerste IC's waren de schakelingen digitaal, later ook analoog.De digitale IC's zouden blijven overheersen. De IC~technologie gaf een
nieuwe impuls aan de digitaliseringstendens.
Periode 1965~heden
---De IC's werden met de groei van het toepassingsgebied steeds complexer.
De bekendste IC, de microprocessor, uitgevQnden in 1971, had complexi~
teit met veelzijdigheid gekombineerd, dank zij programmeerbaarheid. Vanaf 1959 verdubbelde het maximum aantal komponenten per IC vrijwel jaarlijks tot ong. 1 miljoen nu.
Ret vermogensverbruik en de vertragingstijd, beide per poort gerekend, namen elke 10 jaar met een faktor 10 af.
Ondanks de toename in complexiteit werden de IC's nauwelijks groter, dank zij de miniaturisatie van de komponenten. De betrouwbaarheid per IC bleef op een hoog peil, met een kans op een fout in 1000 jaren. De prijs stabiliseerde zich na 1972 op ong. $1,-, wat in het begin van de jaren 60 de prijs voor een transistor of een ontvangbuis was.
Per komponent bleven de kosten verder dalen: de kosten per bit van de RAM-IC's daalden met 28% per jaar.
Deze snelle kostendaling is het unieke van de halfgeleiderindustrie. Zij is het gevolg van de snelle groei van de cumulatieve produktie-aantallen,n.l. vele jaren achtereen een vrijwel jaarlijkse verdubpeling van de cumulatieve output.
De verwachting is dat de bovengenoemde tendenzen zich in de jaren 80 zullen voortzetten, zij het met enige afname in de groei van de com-plexiteit.
De overheersende technologie werd de unipolaire C-MOS, m.n. gebruikt voor digitale IC's. Zij werd gevolgd door de bipolaire IZL, m.n. ge-bruikt voor analoge IC's.
De omzetwaarde van de IC's overtrof die van de diskrete halfgeleiders rond 1973. Gerekend naar het aantal diskreteequivalenten sloeg de ba-lans al veel eerder door in het voordeel van de IC's, in de V.S. reeds in 1965. De verwachting is dat het aandeel van de IC's in de omzetwaar-de van omzetwaar-de halfgeleiomzetwaar-derindustrie veromzetwaar-der zal toenemen, en binnen dat aan-deel vooral de microprocessor.
Ret Amerikaanse aandeel in de wereldproduktie (het oostblok niet meege-rekend) van halfgeleiders bleef in de jaren 70 schommelen rond de 50%. Intussen bleef de Amerikaanse handelsbalans zich verbeteren, vooral
,
vi
t.k.v. Europa. Japan weerde de vestiging van buitenlandse ondernemingen en hield de import beperkt. Hetzelfde beeld geldt ook voor IC's aIleen. De V. S., Europa en Japan verschi lIen ook in de aard van de mark t waarop de halfgeleiderindustrie zich richt. De V.S. heeft zich, o.a. o.i.v. de militaire vraag, meer op de professionele markt gericht, en heeft in verband daarmee een voorsprong op het gebied van de digitale IC's. Eu-ropa heeft zich altijd meer op de konsumentenmarkt gericht, en verwierf zich aldus een voorsprong op het gebied van de analoge IC's. Japan richtte zich oorspronkelijk sterk op de konsumentenmarkt, maar is zich daarnaast meer en meer gaan toeleggen op de professionele markt. Japan dreigt nu en de V.S. en Europa voorbij te streven.
Het militaire aandeel op de Amerikaanse halfgeleidermarkt nam ~n de
ja-ren 70 geleidelijk af.
De computerindustrie vormde uiteindelijk de grootste markt voor IC's. Als de eerste elektronische computer, de ENIAC van 1946, wordt
vergele-ken met een microcomputer van 1977, dan valt de ongelooflij~rote
ver-betering op in de verhouding van prestatie en prijs van computers. In deze verbetering hebben de transistor en de IC in belangrijke mate bij-gedragen.
De totale elektronische industrie, waarvan de omzetwaarde 8
a
10 keerzo groot is als die van de halfgeleiderindustrie aIleen, vertoonde sinds 1939 eveneens een snelle groei: iedere 5 jaar verdubbelde de om-zetwaarde. Ook deze groei zal zich naar verwachting in de jaren 80 voortzetten.
Nog eens kort samengevat: 1900-1950
Een wisse1werking van experimenten, theorievorming en halfgeleidertech-no1ogie gedurende enkele decaden leidde, gestimu1eerd door e1ektronische ontwikkelingen als radio en radar, tot de nagestreefde rea1isatie van de puntkontakttransistor in 1947 en de vee1 meer moge1ijkheden biedende la-gentransistor in 1950. De eerste jaren b1eef de transistor een
1abora-. ' " ( . ." I ' :?;O l(. IOjkf) ....~ 1952\
tor~umcur~os~te~t.De ~ndustr~ele belangstel ~ng ~ pas QeeC ~n j
De uitvinding van de transistor pastte in de paral1el1e ontwikkeling van de miniaturisatie.
Hoewel men zich de transistor vooral als versterkerelement had voorge-steld, zou met de para1lelle ontwikkeling van de digita1e computer de transistor als schakelelement uiteinde1ijk het grootste
toepass1ngsge-vii
bied vinden. 1950-1960
---AanvankeIijk nam de industriele wereid een afwachtende houding aan t.o. v. de vreemde, gebrekkige en dure transistor. Ret waren de voortdurende ontwikkelingen in de haIfgeIeidertechnologie, die de transistor
uitein-IO~~~
deIijk tot een volwassen produkt maakten, die de'bUls vooral in
betrouw-baarheid,
e~~~1~in
frekwentiebereik en schakeisnelheidover-trof. In 1959 evenaarde de omzetwaarde van de haIfgeIeiders die van de ontvangbuizen.
Naast germanium ging ook silicium tot de bruikbare haIfgeIeiders beho-reno Silicium was weliswaar moeilijker te bewerken, maar vergrootte het temperatuurbereik van transistors. UiteindeIijk zou het silicium, dat de nieuwe technologieen meer mogelijkheden bood, het germanium steeds meer verdringen.
De ontwikkelingen in de haIfgeIeidertechnologie Ieidden, in wisselwer-king met de tendenzen naar kleinere afmetingen, grotere betrouwbaarheid en Iagere produktiekosten van de steeds complexere elektronische scha-kelingen, naar de realisatie in 1958 en de doorbraak enige jaren later van de monolithische IC.
In de tweede helft van de jaren 50 ging de sneIIe opeenvolging van tech-nologische innovaties gepaard met een zeer snelle groei van de omzet-waarde van de transistorproduktie: de omzetomzet-waarde verdubbelde bijna jaarlijks.
1960-heden
Na 1959 stagneerde de groei van de haIfgeIeideromzet gedurende enkele jaren. Aan het eind van deze malaise brak de IC door. Zij maakte, ge-steund door de militaire vraag in de V.S., een explosieve groei door, die zo karakteristiek is voor de haIfgeleiderindustrie. De omzetwaarde van IC's overtrof die van diskrete kompnenten rond 1973.
De Ie's waren overwegend digitaal. Zij gaven een nieuwe impuis aan de digitaliseringstendens.
De complexiteit van de IC's nam toe, bij steeds kleinere afmetingen per komponent. Schakeisnelheid, vermogensverbruik en betrouwbaarheid, dit aIIes per poort gerekend, namen eveneens toe.
Een doorbraak in het behoud van veelzijdigheid bij toenemende complexi-teit bood de microprocessor, uitgevonden in 1971.
computer-v~i~
geheugens, de unipolaire IC's de overhand.
De V.S., Europa en Japan bepalen vrijwel de gehele wereldmarkt (het oostblok buiten beschouwing gelaten) van IC's.
De professioneel gerichte V.S. leidt op het gebied van de digitale IC's. Het konsumentgerichte Europa leidt op het gebied van de analogeIC's, die echter in betekenis afnemen. Het oorspronkelij sterk konsumentge-richte Japan legt zich steeds meer toe op professionele toepassingen, en dreigt nu en de V.S. en Europa voorbij te streven.
J.J.C. Nuijten, Eindhoven,
INLEIDING
De Geschiedenis van de Transistor is geschreven in de periode maart
fm
juli 1982, in het kader van het onderzoek naar de Maatschappelijke Ge-volgen van de Transistor. Dit onderzoek maakt deel uit van het inter-afdelingsprojekt Elektrotechniek en Samenleving van de Afdeling Elek-trotechniek en de Afdeling Wijsbegeerte en Maatschappijwetenschappen van de Technische Hogeschool Eindhoven.
De llaeschiedenis van de Transistor'! geeft een nieuwe ordening van, en "'" daarmee een nieuwe interpretatie aan, historische gegevens, vnl. op
....
het terrein van wetenschap, techniek en ekonomie, verzameld uit de literatuur. Zij is bedoeld als basis voor het bovengenoemde onderzoek.
De volgende onderwerpen krijgen in deze beschrijving de aandacht: - ontwikkelingen op fysisch en elektronisch gebied in de 20ste eeuw
voorafgaand aan de uitvinding van de transistor in 1947; - de uitvinding van de transistor;
- het principe van gelijkrichting aan een pn-overgang;
- het principe van versterking in bipolaire en unipolaire transistors; - de ontwikkelingen van transistortypen en produktietechnologieen; - ekonomische ontwikkelingen aangaande omzet, prijs en markt, m.n. van
het leidende land, de V.S., maar ook van Europa, en dan m.n. Philips, ~
en Japan; "'l)D~(j
I
de voornaamste toepassingen, w.o. de digitale computer; de miniaturisatie in de elektronische schakelingen; - de uitvinding van de IC;
- de voornaamste technologische en ekonomische ontwikkelingen in de IC's, w.o. de uitvinding van de microprocessor;
- de huidige positie van de halfgeleiderindustrie in de V.S., Europa en Japan;
DeijGeschiedenis van de Transisto~'is gericht op de diskrete transistor
in de periode 1950/65. De periode na 1965, waarin de IC de voornaamste ontwikkelingen van de halfgeleiders bepaalde, komt globaal aan de orde. Andere halfgeleiders, die volgens een ander mechanisme versterken of
schakelen d~n de bipolaire of unipolaire transistors, zoals diodes,
thyristors, "charge coupled devices", vallen buiten deze opzet (voor
6/·
andere versterkingsmechanismen: FEE, 8 tm 19).
"-./
andere versterkingsmechanismen: FEE, 8 tm 19).
Specialistische toepassingsgebieden van de transistor, zoals de vermo-genselektronica, de microgolftechniek, de opto-elektronica, werden
be-langrijker na 1965, maar vallen eveneens buiten deze opzet.
Literatuurverwijzingen staan tussen haken achter de betreffende tekst. De codering van de literatuurverwijzingen bestaat uit drie
hoofdlet-ters, als afkorting van de titel, gevolgd door het paginanummer. Vraagtekens tussen haken in de tekst duiden op beweringen, waarvan de
schrijver weI in de juistheid gelooft, maar waarvan een literatuurver-wijzing ontbreekt.Een enkele keer kan een vraagteken twijfel inhouden over de juistheid van de betreffende bewering. Of deze tweede
beteken-is van toepassing beteken-is wordt in de tekst vanzelf duidelijk.
De Geschiedenis van de Transistor is in (de overbekende) tijdnood sa-mengesteld, en is zonder verdere correcbie gecopieerd. Zij behoeft nog verbetering. De schrijver heeft reeds (niet hierin verwerkte)
correc-ties aangebracht in de vorm: herordeningen van stukken tekst, herfor-muleringen van zinnen, verbetering van stijl- en spellingsfouten. Opmerkingen en suggesties van lezers aangaande inhoud, vorm, taalge-bruik, etc. zijn in dit stadium zeer welkom.
Eindhoven,
30 j uli 1982,
INROUD
VOORGESCRIEDENIS EN LABORATORIUMFASE VAN DE UITVINDING
VAN DE TRANSISTOR, 1900 - 1950 •..••.••.••.•..•••••...•••.••••.. p.
Kader van de ontwikkelingen in deelektronica veer 1940. De "eat's whisker" en de vacuumbuizen veer 1930
De vaste-stof-diode en -triode in de jaren 30
Ret onderscheid van metalen, isolators en halfgeleiders De theorie van Schottky betreffende gelijkrichting Ret halfgeleideronderzoek in de Tweede Wereldoorlog
4
6
8 9
De uitvinding van de transistor ••..••.•••••••••.••••••••••• 11
.. .. .. .. .. .. .. .. .... 13
17 18 18
De miniaturisatie veer 1950
De theorie van Shockley betreffende pn-overgangen De transistortechnologie aan het eind van de jaren 40 De ontwikkeling van digitale computers veer 1950
~ Vergelijking van de transistor en de vacuumbuis
DE EERSTE JAREN VAN PRODUKTIE: NAAR EEN BETROUWBARE
TRANSISTOR, 1950 -1955 21
De puntkontakttransistor en de lagentransistor in 1951/52 21
De onbekendheid van de buizenindustrie met de transistor
...
...
...
...
"..
Nieuwe schakelmogelijkheden 22Ret germanium als grondstof •.••••••••.•••.•••.••••••••••••• 22
Aktiviteiten en verwachtingen bij Philips in 1949/52 •.••.•• 23
24 25 25 26 De eerste toepassingen De legeringstransistor De veldeffekttransistor
...
De "surface barrier" transistor en de "interdigitated" bouw Produktie in Europa en Japan
Standaardisatie .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 27 28 28 De silicium transistor 29 ~ De elektronica-markt in de V.S ••••.•.••••••••••••••••••••••
DE TRANSISTOR ONTWIKKELT ZICR TOT EEN VOLWASSEN MARKT, 1955 -1960
~
33Produktie en mark ten in Europa en Japan
De diffusietransistors, w.o: "diffused base", POB- en mesa-Produktieverloop voor transistors, halfgeleiders en buizen
en produktiemethoden 33 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 36 38 42 46 49
...
.. ..a, .. a, a,"_.~":...!__.~";"0 ". ": ". Computers en ruimtevaart Toepassingsmogelijkheden in 1955 TransistortypenMiniaturisatie-projekten •••••••.•••.••••••••••••••••.••.••. 49
De uitvinding van de IC en de transistor vergeleken
.. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 52
54
De planaire transistor en de epitaxiale transistor ••••••••• 50
De uitvinding van de IC
Andere halfgeleiders, w.o. de veldeffekttransistor •.••••••• ~
~
MASSAPRODUKTIE EN LAGE KOSTEN: DE TRANSISTOR GOEDKOPER DANDE BUrSJ 1960 - 1965 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 56
Prijsdalingen en produktiestagnatie in de V.S . ••••••••••••• 56
Produktie en markten in Europa en Japan .••••••••••.••.••••• 61
Ontwikkelingen in transistortypen en in produktiemethoden 62
Toepassingen voor de diskrete transistor •••••.••..••••••••• 62
De miniaturisatie 64
IC-typen en de verschuiving van analoog naar digitaal . •••••• 65 Verdere ontwikkelingen in Ie's, transistors en andere
Integratie en miniaturisatie .
halfgeleiders
~
DE IC ALS DRAGER VAN DE TRANSISTOR, 1965 - heden
De uitvinding van de microprocessor
6~
... -67 67 71
Andere halfgeleiders 71
Prij sverloop van Ie's 72
Produktiegroei en internationale positie van de
halfgeleiderindustrie 73
IC-toepassingen en de elektronische industrie •••••••••••••. 76
VOORGESCHIEDENIS EN LABORATORIUMFASE VAN DE UITVINDING VAN DE TRANSISTOR, 1900-1950.
Ontwikkelingen in de eerste helft van deze eeuw, die de uitvinding van de transistor eind 1947 moge1ijk maakten, waren m.n. die van de vaste-stof-fysica en die van de e1ektronica.
Van de vaste-stof-fysica waren m.n. theoretisch inzicht in de
e1ektri-s~
sche eigenschappen van ha1fge1eiders en techno1ogische kennis en kunde van het zuiveren en doteren (dit is het gecontro1eerd verontreinigen met een bepaa1de stof en tot een bepaa1de graad) van ha1fge1eidermate-riaa1 de basis voor de rea1isering en de verdere ontwikke1ing van de transistor.
Van de e1ektronica gaven m.n. het mechanisme van de ge1ijkrichting en "VV'v
het mechanisme van de vermogensversterking richting aan het ha1fge1ei-deronderzoek.
De oorsprong van de elektronische industrie hangt samen met de ontwik-ke1ing van de radio (fig. 1). De radiocommunicatie begon met de eerste draad10ze te1egrafieverbinding van Marconi in Groot-Brittannie in 1896 (EID,14,63). De radio ontwikkelde zich in de periode 1900-25 (EID,65,. 68,72,73,75,76,77,81,82,86). De Eerste Wereldoor1og van 1914-18 gaf een
merkbare impuls aan de radi9~Q~unicatie. In 1922 startte de BBC in G.B.
de eerste radio-uitzendingen (EID,3). Deze periode zag ook de geboorte
van de industrie~e1ektrische komponenten (EID,4). In het begin van
de jaren 20 produceerde de e1ektronische industrie reeds mi1joenen
ra-~~o;~2jE~~T~~~8)~n ~:~;;;:::t.ts~:::.e:~~l~~:S~~~~~~"~;.:~~t~~;~~::~~~~:.t)
V66r de Tweede Wereldoor1og was bijna de gehe1e produkEie van de e1ek-tronische industrie bestemd voor radio's en aan radio's verwante
appa-...
ratuur (IDT,7). Aan het eind van de jaren 30 droegen1radar en
televi-sie aan het toepassingsgebied van de elektronica bij (EID,13).
De ontwikkeling van radar startte met de uitvinding in 1924 (EID~15,
84,85) en had haar hoogtepunt in de Tweede Were1door1og (EID,38). Over televisie verscheen de eerste theorie in 1908 (EID,39,70).
De praktische ontwikkeling van televisie nam een aanvang in 1919 (EID, 15,39,78,79) en duurde tot de Tweede Were1door1og (EID,39).• In 1936 werden dqdefinitieve televisie-uitzendingen gestart in G.B. (A1E,29). Tegen de Tweede Wereldoor1og was de radio in de ontwikke1de landen-'
.. 1
d~I",,'h)1939
. . .,. 10 '1vr~]we gemeengoe. In waren ~n Groot-Br~ttann~eongeveer
m~-joen radio's in gebruik (EID,5). In Nederland waren in 1939 ruim 1 mi1-]oen geregistreerde radiobezitters op een bevolking van bijna 9 mil-]oen (SVN, 9,50).
In verband met de voorgeschiedenis van de transistor ~.s de radio van
be1ang a1s toepassing van gelijkrichting envermogensversterking van
1975 computers Babbage, 1833 Au. Seq, C.C, 1939 E.N.I.A.C,1943 UNI.V.A.C, 1947 IBM,650,70I, 1950 SAGE,1952 IBM,704,709,1953 o l"- l"-Ql Ql 1970 I ~,'? -,>'" ~t:< c.P ' I I I Television I CRT,1897I Baird,1925 Zworykin, 1919 Farn'Sworth ll927 I 1 o
~
10 10 Ql 10 m I I . - ValvesI -IDiode, 1904 ITriode, 1906 ,Screengrid, 1926 IPentode, 1928 ITW.T, 1935 IMagnetron, 1939 I I Radio : Marconi, 1876 Broadcasting, 1906 Microwaves, 1919 Amateurs, S.w.1921 Commercial, S.w. 1925 Int. Satellite, 1965 I o IQ 1900Mao. recordino Gramophone
Telephone
I
Estimated extent of use
- - - 1 -
-Passive components
Capacitor (Leyden) Jar,I745 Iron dust cores, 1772 Dry battery, 1800 Relays, 1837 Loud speaker, /877 Resistors (comp), 1885 Transformers, 1885 I I I I I I I 1 I Transistors Point contact, 1948 ,
Junction trans,1949 Microelectronics
Zone refining,1952 Thin films, 1913
Diffusion, 1956 Thick films, 1940
Planar tech, 1959 Semiconductor IC's, 1959
I Logic /Lin circuits, 1960
1 FIat pack, 1962 1 D.LL, 1964 I L.5.I, /969 1 I , 1 10 (\J l"-"%j ....' (JQ
-.
...
::J P-(D (D t-' (D ::-t rt Ii o ::J...
n PIelektrisehe signalen.
In de radio dient gelijkriehting voor detektie van het via een antenne binnenkomend signaal. De eerste eehte gelijkriehter voor radiodetektie was tevens het eerste eehte elektronisehe halfgeleiderprodukt. Dat was
((~Vl Pf.tlttko~t(llldd('o<le
de z. g. "eat's whisker' (RIM, 14). De gelijkriehtende werking hiervan
ontstaa~in het kontakt tussen een metalen draad en een stukje
loodsul-fide. Ret kontakt geleidt elektrisehe stroom maar in een riehting. De Duitser Ferdinand Braun ontdekte dit in 1874, en paste het in 1899 toe voor detektie van radiogolven (VGT,15).
In de radio's van die tijd ging het signaal na detektie reehtstreeks, zander versterking, naar een koptelefoon.
De "eat's whisker" was gedurende de eerste j aren van de radio de enig
. ~
bruikbare radiodetektor. Zij was klein, goedkoop, eenvoudig en popu-lair, maar niet erg betrouwbaar (RIM,14,15). Raar werking werd pas be-grepen in de jaren 30, toen de vaste-stof-fysiea een theoretiseh ge-fundeerd raamwerk had gekregen (RIM, 15).
De opvolger van de "eat's whisker" was de vaeuiimdiode. De Engelsman Fleming vond de vaeuUmdiode uit in 1904, toen hij een tweede, koude,
elektrode toevoegde aan een soort gloeilamp (RIM,15,16). In het vaeuUm kan een elektronenstroom aIleen gaan van de hete naar de koude
elek-trode, en niet in de omgekeerde riehting. Daarin zit de gelijkriehting. De hete elektrode is de kathode, de koude elektrode is de anode.
De vaeuUmdiode bood voordelen Lo.v. de "eat's whisker": zij was veel betrouwbaarder en kon grotere stromen verwerken. De belangrijkste na-delen waren haar grote afmetingen en de vermogensdissipatie in de gloeidraad van de kathode.(RIM,16).
Waarsehijnlijk zou de vaeuUmdiode de populaire "eat's whisker" niet hebben verdrongen zonder de uitvinding van de vaeuUmtriode door de Amerikaan De Forest in 1906 (RIM,16).
De Forest verkreeg de vaeuUmtriode door toevoeging van een derde elek-trode aan een vaeuiimdiode. Deze derde elekelek-trode is het stuurrooster. Zij dient ter regeling van de sterkte van de elektronenstroom tussen de kathode en de anode. Een elektriseh signaal van weinig vermogen op het stuurrooster kan een grote verandering van het vermogen van de elektro-nenstroom tussen de kathode en de anode teweeg brengen. De vaeuUmtriode is hiermee de eerste elektronisehe vermogensversterker.
Vanaf die tijd bepaalden de vaeuUmbuizen de ontwikkeling van de elek.,.' troniea in de daaropvolgende 50 jaren (RIM,16; fig. 1).
binnenkomend signaal veer detektie als voor versterking van het gede-tekteerde signaal. De eerstgenoemde versterking vergroot de ontvangstge-voeligheid van de radio, de laatstgenoemde versterking voegt het vermo-gen toe dat nodig is om een luidspreker te sturen.
Vermogensversterking maakte een wijdverbreid gebruik van de radio moge-lijk. Vermogensversterking breidde de mogelijkheden van de radio zozeer uit, dat het nadeel van de grote omvang en de vermogensdissipatie van de vacuumtriode op de koop toe werd genomen. Bij het gebruik van vacuum-triodes voegde de vacuUmdiode weinig meer aan de nadelen van vacuUmbui-zen toe. De vacuUmdiode werd nu een voor de hand liggende vervangervan de "eat's whisker" (RIM,16).
Een voordeel van de vacuumbuizen was dat men de werking ervan uitste-kend begreep (VGT,16).
Na de diode en de triode ontwikkelden zich diverse typen vacuumbuizen (EID,40). De belangrijkste voorloper van de transistor is hiervan, na de triode, de pentode. De pentode is in 1928 uitgevonden bij Philips in Nederland (EID,90). Zij is een vacuUmbuis met, zoals de naam al zegt, vijf elektroden. Met de twee extra elektroden is zij te beschouwen als
een verbeterde triode (EID,87).
De mogelijkheid van vermogensversterking gaf een aanzet tot de ontwik~
keling van vele elektronische schakelingen (EID,32). Bekende
schakelin-h " d 1 " " . " " (",8)
gen ~eron er, met ve e toepass1ngen, Z1Jn o.m. de mult1v1brator / voor
het genereren van pulsen van diverse vormen (EID,77), de
flip-flop~~~ie
twee stabiele standen (de "0" en de "1") heeft en daarmee als reken- en geheugenelement een belangrijk onderdeel is van digitale schakelingen
(EID,80) en de versterker met negatieve terugkoppeling (1927; EID,89). Tegen de Tweede Wereldoorlog kenden de vacuUmbuizenvele toepassingen. Riertoe behoorden, behalve de genoemde radio, radiotelegrafie, radar en
televisie, toepassingen als tussenversterkers in het telefoonnet,
...
meet~-instrumenten voor wetenschappelijke, medische en industriele doeleinden (RIM,17; EID,36), zoals de ultra-micrometer (EID,81), enz.
~
De vacuUmdiode heeft de vaste-stof-diode nooit geheel verdrongen. In de jaren 30 en 40 werd op grote schaal gebruik gemaakt van vaste-stof-dio-des in elektronische schakelingen waar de vacuumdiode ongeschikt was
vanwege haar afmetingen of haar vermogensdissipatie. Deze
vaste-stof-diodes werkten volgens hetzelfde principe als de "eat's whisker". Ret puntkontakt was echter vervangen door een kontakt tussen vlakke lagen. 7)"t "",,,..~ de d.·orles <10k 'jeseJ..:I<t: VOlo.. J.-e,t Cjf!t~·lm·",I,'te....v... ~"~ l.J:ue/n,.o"'riJl'o (::)
de meeste van deze vaste-stof-diodes was gebaseerd op kontakt tussen
een laag koper en een laag koperoxide\of op kontakt tussen ~en laag
me-• OWwa,.~ aoo'" G)ro .."tthl Iv, '9-"
taal en een laag selen~um (RIM,28).=..- Owf~..pq... <1-00; P"f.Uft.,. i ... Hjl.' C/l~L~I-t)
Uit dezelfde periode zijn vele pogingen bekend om te komen tot een z.g~
vaste-stof-triode. Vele onderzoekers probeerden vermogensversterking van elektrische stromen te realiseren in een verscheidenheid van vaste
stoffen(RIM,28).
Deze pogingen gingen steeds uit van een van de twee volgende ideeen. Ret eerste idee is het inbouwen van een rooster waar in een vaste-stof-diode de gelijkrichting plaats vindt. Dit is een analogie van de va-cuUmtriode. Ret tweede idee is het beInvloeden van het aantal vrije la-dingdragers in een vaste stof via een uitwendig aangebrachte elektrode. Dit is wat later het veldeffekt zou heten (RIM,29; OTP,lO).
Ret waarom van deze pogingen ligt voor de hand. De elektronica was uit-gegroeid tot een belangrijke industriele aktviteit. Een verbetering aan de vacuumbuizen beloofde grote voordelen. De zwakten, inherent aan de vacuUmbuis, waren de grote omvang, de breekbaarheid, de eindige levens-duur en de hoge vermogensdissipatie. Bovendien bracht het gebruik van de vacuumbuis de noodzaak mee van een zware transformator en schakelin-gen voor gelijkrichting en afvlakking om te voorzien in de gloeispan-ning van de kathode en de hoge gelijkspangloeispan-ning tussen anode en kathode.
ue
vacuUmbuis was m.n. problematisch voor draagbare elektronischeappa-raten als de radio en de walkie-talkie (RIM,29).
In de periode tussen 1925 en 1928 werkte Lilienfeld, Pool van geboorte,
~n
de V.S. aan ontwerpen van diverse vaste-stof-versterkers (RIM,29;F~f.~~')
VGT,17,18,19). Onder deze ontwerpen zijn vaste-stof-versterkers, die ~
men nu zou aanduiden met de namen FET (Field Effect Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) en bipolaire tran-sistor (bipolair betekent dat geleiding zowel door elektronen als door gaten plaats vindt; een FET is daarentegen unipolair: geleiding vindt plaats of door elektronen of door gaten; voor de betekenis van gaten zie verderop in dit hoofdstuk). Lilienfeld heeft de werking van deze transistors in grote trekken korrekt beschreven, hetgeen voor die tijd
een uitzonderlijke prestatie was. Het is niet bekend of Lilienfeld, die een teruggetrokken leven leidde als onderzoeker, de ontworpen ele-menten ook werkelijk zo heeft gebouwd. Waarschijnlijk waren zijn ideeen niet praktisch te realizeren. In die tijd was immmers zowel de techno-logie om zuivere monokristallijne stoffen te maken als het theoretisch inzicht in de vaste-stof-fysica nog niet voldoende ontwikkeld (RIM,30;
VGT,20). Uit de jaren 30 zijn nag een aantal ontwerpen van
vaste-stof-versterkers bekend (FEE,6,7,8; VGT,20,21).
Daaronder zijn die van de Duitser Heil in 1935 (EID,101; RIM,30) en die van de Duitsers Hilsch en Pohl in 1938 (RIM.23; VGT.22. 23). Van Pohl is de demonstratie van een, zij het gebrekkig werkende,
transistor bekend (RIM,23). Tot een doorbraak kwam het echter niet (RIM,3}). Ook in Nederland werkte men aan vaste-stof-triodes. Philips produceerde sinds de jaren 20 vacuUmbuizen en hield zich vanaf 1934 ook bezig met gelijkrichters. Vanaf 1936 produceerde Philips vaste-stof-gelijkrichters, zij het op zeer bescheiden schaal. Deze produktie zou pas na de Tweede Wereldoorlog, in 1947, op gang komen. In de jaren 30 en 40 deed Philips ook aan onderzoek naar een vaste-stof-versterker: Van Geel maakt vanaf 1936 diverse ontwerpen (VGT,21;OTP,29,30,31). ~
He~estaanvan de klasse van materialen, nu bekend als halfgeleiders, werd pas duidelijk in de jaren 30 (RIM,18,26; VGT,6,7). Aanvankelijk maakte men, naar het kenmerk van het elektrisch geleidingsvermogen,
aI-leen onderscheid tuss.en metalen en isolators. AIaI-leen op grond van het elektrisch geleidingsvermogen zijn de meeste halfgeleiders niet te
on-derscheiden van metalen.De metalen zijn over het algemeen goede
gelei-ders, maar daarin komen grote onderlinge verschillen voor. De halfge-leiders, die niet binnen het brede gebied van de metalen pasten, werden beschouwd als isolators (RIM,18).
Tot de jaren 30 bood de vaste-stof-fysica onvoldoende inzicht in de me-chanismen van de elektrische geleiding am op grond daarvan onder scheid te maken tussen metalen, halfgeleiders en isolators. WeI waren de vier belangrijkste elektrische verschijnselen, die aIleen halfgeleiders ver-tonen, bekend. Men begreep echter die verschijnselen niet, en een sa-menhang zag men evenmin (RIM,18).
De vier verschijnselen, allen reeds ontdekt in de 19de eeuw, zijn:
- de negatieve weerstandscoefficient: temperatuursstijging geeft
weer-standsverlaging van een halfgeleider;
- de fotogeleiding: verlichting geeft weerstandsverlaging van een half-geleider;
-het foto-voltaisch effekt: verlichting van het kontak.toppervlak tussen een halfgeleider en een elektrolyt wekt ter plekke een elektrische spanning op;
- de gelijkrichting: het kontakt tussen een metaal en een halfgeleider laat elektrische stroom maar in een richting door (RIM,18,19).
naar een verklaring van deze verschijnselen. Zij leidde tot de theorie van Bloch, die het concept van de energiebanden van de elektronen in een vaste stof introduceerde. Dit bandenmodel bood de mogelijkheid om aan de hand van de elektronenstruktuur onderscheid te maken tussen
me-talen, halfgeleiders en isolators (RIM,19 tm 25; VGT,6,7).
Volgens het bandenmodel kunnen elektronen alleen op bepaalde, diskrete, energienivo's in een vaste stof voorkomen. Per energienivo is het aan-tal elektronen per atoom aan een maximum gebonden. Over het algemeen bezetten de elektronen zoveel mogelijk de banden met de laagste ener-gienivo's.
Metalen bevatten nog open plaatsen in de bezette band van het hoogste energienivo. In deze z.g. valentieband kunnen de elektronen via de open plaatsen gemakkelijk door het metaal bewegen. Dit verklaart het grote geleidingsvermogen, ofwel de lage weerstand, van de metalen.
Isolators hebben geen open plaatsen in de valentieband. Zij hebben geen ruimte voor elektronentransport.
Halfgeleiders hebben evenmin open plaatsen in de valentieband, maar de
energiesprong naar de band van het eerstvolgende hogere energienivo is klein vergeleken met die in isolators. De elektronen kunnen, zij het met enige weerstand, deze bandafstand overwinnen. Eenmaal in deze extra band, de z.g. geleidingsband, kunnen zij gemakkelijk door de halfgelei-der bewegen.
Dit verklaart de negatieve weerstandscoefficient van halfgeleiders: een hogere temperatuur betekent een grotere bewegingsenergie van de elek- "
tronen, waardoor er een grotere kans is dat een elektron uit de valen~
tieband in de geleidingsband springt, zodat meer elektronen aan de ge-leiding meedoen ofwel de weerstand van de halfgeleider lager is.
De verklaring van de fotogeleiding ~s gelijkluidend, met dit verschil
dat d~oename van de bewegingsenergie van de elektronen niet gebeurt door opname van warmte maar door opname van licht.
Een verklaring van de overige halfgeleiderverschijnselen, het foto-vol-taisch effekt en de gelijkrichting, zou pas mogelijk zijn toen men ook het gedrag van de energiebanden aan het kontaktoppervlak tussen twee verschillende materialen begreep.
Het bandenmodel maakte tevens de gevoeligheid van het geleidingsvermo-gen van halfgeleiders voor verontreinigingeleidingsvermo-gen duidelijk. Het zuivere halfgeleidermateriaal heeft onder normale omstandigheden slechts een zeer klein deel van de valentie-elektronen in de geleidingsband. Be-paalde verontreinigingen veroorzaken een overschot of'een tekort aan
elektronen. Een overschot draagt bij tot geleiding in de geleidings-band, een tekort draagt bij tot geleiding in de dan niet meer.gevulde valentieband. Ook bif een lage verontreinigingsgraad is dit tekort of overschot al gauw veel groter dan het aantal valentie-elektronen in de geleidingsband van het overeenkomstige zuivere halfgeleidermateriaal. In dat geval wordt het geleidingsvermogen van een verontreinigde half-geleider niet zozeer bepaald door de halfhalf-geleider zelf maar door de verontreinigingen.
Aldus waren m.b.v. het bandenmodel de fundamenten van de theorie van het transport vanelektriciteit (en warmte) in vaste stoffen tegen het midden van de jaren 30 gelegd.
De grote gevoeligheid van het elektrisch geleidingsvermogen van halfge-leiders (en ook isolators) voor verontreinigingen had het onderscheiden van metalen, isolators en halfgeleiders tot een moeizaam proces gemaakt. Dezelfde gevoeligheid stond in de tweede helft van de jaren 30 en in de
jaren 40 verdere ontwikkelingen op het halfgeleidergebied in de weg
(RIM,26). De verontreinigingen waren moeilijk controleerbaar en moei~
lijk meetbaar. Daardoor kwamen theorie en experiment slechts 1n beperk-te mabeperk-te met elkaar overeen. Weliswaar was de theorie nog gebrekkig, maar de hoofdoorzaak lag toch in het gebruik van onzuivere materialen. Bovendien gebruikte men aIleen polykristallijne stoffen, wat extra com-plicaties gaf. De techniek voor het produceren van zuivere,
monokris-tallijne stoffen was nog niet ontwikkeld (RIM,27; VGT,7).
":/
De tweede helft van de jaren ublikaties op over
UI~/~
2
de theorievan de gelijkrichting. De belangrijkste bijdrage kwam van de
Duitser Schottky (RIM,28; VGT,33). Hij toonde voor een
koperoxide-ge-lijkrichter aan dat de gelijkrichtende werking niet plaats vindt in het inwendige van de halfgeleider maar aan het kontaktoppervlak met het
me-taal. In 1939 komplementeerde hij zijn in essentie korrekte theorie.
Hij baseerde zich op het bestaan van een z.g. depletielaag aan een half-geleideroppervlak dat in kontakt is met een metaal. De .depletielaag is
een zeer dunne laag aan het halfgeleideroppervlak,
waa~--l~·-b~Ji.d;;~t~r~tdc
tuur is vervormd o.Lv. het kontakt met het metaa!, Z()dllt.daar
-de-
vale;'-tieband vrijwel vol is en de geleidingsband vrijwelleeg. De-weerstand -is hier groot. Een elektrische spanning in de ene richting maakt de deple-tielaag dunner en daarmee de weerstand kleiner. Het kontaktonpervlak
laat in dat geval.elektrische stroom door. De~stroomrichtingheet-dan
de doorlaatrichting. Een spanning in de tegengestelde richting maakt de depletielaag dikker en daarmee de weerstand groter. Het kontaktopper-vlak spert in dat geval elektrische stroom. Deze tegengestelde richting
heet dan ook sperrichting (VGT,34,35).
In de depletielaagtheorie hield Schottky geen rekening met oppervlakte-toestanden. In werkelijkheid bestaan onregelmatigheden in de banden-struktuur aan het oppervlak van een halfgeleider t.g.v. de onderbreking van het kristalrooster en de absorptie van vreemde deeltjes. Dit stond
lange tijd de experimentele bevestiging van de depletielaagtheorie in de weg (VGT,34).
Onwetendheid van oppervlaktetoestanden was tevens de oorzaak van het mislukken van de vele pogingen tot het bouwen van een
vaste-stof-ver-sterker. Ook de experimenten van Shockley en Brattain, die later de transistor mede zouden uitvinden, liepen hierop stuk. Shockley en Brat-tain experimenteerden in 1939 en 1940 aan de Bell Laboratories van AT&T (American Telephone and Telegraph) in de V.S. Hun werk werd onder-broken door het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog, en zou pas in
1945 een vervolg vinden (RIM,42,43,44; AIE,69).
De regering van de V.S. gaf gedurende de Tweede Wereldoorlog steun aan een uitgebreid onderzoekprogramma ter verbetering van de bestaande me-thoden van radardetektie. Britse wetenschappers kwamen naar het veilige Amerika en brachten geavanceerde kennis op het gebied van radar met zich mee (EID,7). De vacuUmdiode en de vlakke vaste-stof-diode voldeden niet als detektor van radargolven. De "eat's whisket'kon deze zeer hoge
frekwenties dank z i ~ . . .
het pun" t k ' konta t, aan. De "eat's wh~sker", nu gemaakt van german~um of S~-licium, deed weer haar intrede. In verband hiermee nam het onderzoek naar de eigenschappen van germanium en silicium een belangrijke plaats in het Amerikaanse onderzoekprogramma in (AIE,70).
Bij het onderzoek naar de gelijkrichtende eigenschappen van silicium in
de Bell Laboratories hadden Scaff en
The~rer
ontdekt dat het smeltenvan silicium in vacuUm betrekkelijk zuivere staven silicium opleverde
(AIE,69). De gelijkrichtende werking van het silicium verschilde van
staaf tot staaf. Sommige silicium-metaal-overgangen geleidden het best tn de ene !::Lcht:Lng'l>Q!Dffiig~ gelei..Q.d~n_1:l~..L.b~!3S j.Eq~..~nde!"~_richtiI.l$L~
sommige richtten helemaal niet gelijk. Scaff en Theurer ontdekten uit-eindelijk dat de gelijkrichtende werking van silicium afhangt van de verontreinigingen, die in het silicium zijn achtergebleven. Verontrei-nigingen met een overschot aan elektronen veroorzaken geleiding in de ene richting, verontreinigingen met een tekort aan elektronen veroorza-ken geleiding in de andere richting.
elektronenoverschot en ~n silicium met een. elektronentekort verschil-lend. In het eerste geval draagt het elektronenoverschot bij aan de ge-leiding in de gege-leidingsband. Aldus verontreinigd silicium kreeg van Scaff en TheJrer de naam n-type-silicium (de "n" van negatief: de nega-tief geladen elektronen zorgen voor de geleiding). In het tweede geval is de geleidingsband vrijwel leeg en manifesteert het elektronentekort zich in de aanwezigheid van open plaatsen, gaten genaamd, in de valen-tieband. Een elektron kan een naburig gat opvullen, waarbij het zelf een gat op de oude plaats achter laat. Een dergelijk elektron komt dan niet in de geleidingsband, maar heeft voldoende aan een kleine
energie-sprong binnen de valentieband. Aldus kan geleiding met weinig weerstand plaats vinden in de valentieband. De geleiding door de complexe bewe-' ging van elektronen, die van gat naar gat springen, is simpeler voor te stellen als een beweging van vrije, positief geladen gaten in de tegen-gestelde richting. Men spreekt in dit geval van geleiding door gaten. Dergelijk silicium kreeg de naam p-type-silicium (de "p" van positief: de positief geladen gaten zorgen voor de geleiding).
Dit gatenconcept was overigens al duidelijk gedefinieerd door Heisen-berg in 1931< (VGT ,33) •
Dat aan elektronengeleiding en gatengeleiding een verschillend
mecha-nisme ten grondslag ligt blijkt ook uit het verschil in
geleidingsver-mogen. Elektronen zijn beweeglijker dan gaten en geleiden daarom enig-zins beter. Het mechanisme van de gatengeleiding treedt ook aIleen op bij halfgeleiders. Bij metalen komt dit niet voor omdat daar geen on-derscheid is van valentieband en geleidingsband.
Begin ]940 maakten Scaff en TheJter een staaf silicium, waarvan de ene helft van het p-type was en de andere helft van het n-type. Aldus cre-eerden zij de eerste pn-overgang (AIE,70). De pn-overgang zou later de kern vormen van de revolutie in de halfgeleiderelektronica. Het zou echter pas tot een doorbraak komen nadat Shockley in ]948 zijn theorie over de pn-overgang in diodes en transistors lanceerde (VGT,40).
Inmiddels richtte het werk aan silicium bij de Bell Laboratories zich gedurende de Tweede Wereldoorlog op de verbetering van radardetektors
(AIE,70; R~.,43).
De belangrijkste bijdrage aan de halfgeletderelektronica in de VS tij_·
dens de Tweede Wereldoorlog kwam van de Purdue University, m.n. op net gebied van de kennis van de halfgeleider germanium (RIM,34,35,44; AlE, 70). Het werk aan de Purdue University begon in 1942 onder leiding van Lark-Horovitz. Hij stelde toen expliciet dat silicium en germanium
trinsieke halfgeleiders z~Jn, d.w.z. ook in hun zuivere vorm halfgelei-ders (RlM,35). Dat silicium en germanium intrinsieke halfgeleihalfgelei-ders zijn heeft mogelijk meegespeeld in de beslissing juist deze materialen diep-gaand te onderzoeken in de V.S. De voornaamste faktor in deze keuze was waarschijnlijk dat de empirisch verkregen radardetektors van deze mate-rialen in die tijd redelijk goed werkten. Men realiseerde zich dat voor een verdere verbetering meer inzicht in de eigenschappen van de materi-alen nodig was. lntrinsieke halfgeleiders lenen zich beter voor onder-zoek dan samengestelde halfgeleiders. Samengestelde halfgeleiders eisen een complexere bewerking bij het zuiveren en het doteren: er moet met meer dan een samenstellend element worden rekening gehouden en de
juis-te verhouding van de samensjuis-tellende elemenjuis-ten moet worden bewaakt. Zowel silicium als germanium zijn harde, sterke, enigszins brosse mate-rialen met een metaalachtig voorkomen. Ook deze robuustheid was een ar-gument voor de keuze van deze materialen (RIM,33,34). De keus betekende
d f · . . . . ~~\,IAI""h If 1 · d . 1 T
een e ~n~t~eve ommezwaa~ ~n het1soort a ge e~ ermater~aa. ot aan
de Tweede Wereldoorlog waren voornamelijk samengestelde halfgeleiders,
zoals koperoxide, loodsulfide en vele andere samenstellingen, in ge~
bruik. Na de oorlog zou het accent liggen op germanium en silicium.
Germanium ~s eenvoudiger te bewerken en was gedurende de oorlog
grond-iger onderzocht. Vandaar de aanvankelijke voorkeur voor germanium. Het Amerikaanse onderzoekprogramma tijdens de Tweede Wereldoorlog, m.n. aan de Purdue University, was weliswaar niet gericht op een vaste-stof-versterker, maar bracht de realisering ervan veel dichter bij, dank zij de kennis van germanium.
Een ander gevolg van de Tweede Wereldoorlog is de technologische
voor-sprong, die de V.S. kregen op Europa en die zij niet meer af zouden
staan. V66r de oorlog waren de Britten en de Duitsers waarschijnlijk verder in de halfgeleidertechnologie, na de oorlog waren de Amerikanen,
U~IM,l~)
mede dank zij de inbreng van de overgekomen Britten, verder.IDeze omke~
ring weerspiegelt zich ook in het aantal elektronische uitvindingen
(fig. 2).
II
Na de Tweede Wereldoorlog vormde zich bij de Bell Laboratories een nieu-we halfgeleidergroep. Deze groep beperkte zich tot germanium en sili-cium, omdat deze halfgeleiders simpel waren en het meest onderzocht
(RIM,46). Bovendien was de kristalstruktuur van deze halfgeleiders
hecht en vertoonde daarom weinig onregelmatigheden (AlE,71). Op aanra-den van Shockley nam de groep het werk op met de vaste-stof-triode op
Europeon
I
Total-56 Total-141 American I Total-68It
J
'790 17801
'770 1 '760 I i i i I I I i i 1 I 1 • , d:::!--,-LL-'-+-L.L-'--'-,+-'-...l..-'-7'<--15 10 '5 0 0 5 10 15Number of inventions Number of inventions
Fig. 2.
Ret effekt van de "brain-drain" van Europa naar de V.S. op elektronische uitvindingen
(EID,8).
basis van het veldeffekt. AIle experimenten faalden echter (AlE,71). Bardeen kwam toen met de verklaring, dat t.g.v. oppervlaktetoestanden een via een uitwendige elektrode aangebracht elektrisch veld niet kon doordringen in de halfgeleider en dus geen effekt had op het aantal vrije ladingsdragers in de halfgeleider. Riermee kwam hij tot de theo-rie van de oppervlaktetoestanden (AlE,71). Deze theotheo-rie vormde een be-langrijke aanvulling op de theorie van de gelijkrichting van Schottky en hief de theoretische blokkade op naar de realisering van een vaste-stof- versterker.
Bardeen en Brattain start ten een serie experimenten om de oppervlakte-toestanden nader te onderzoeken. Om oppervlakteoppervlakte-toestanden te neutrali-seren dompelden zij een stukje silicium onder in een elektroliet (dit
/1
is een vloeistof die elektrische stroom geleidt). Aan dit stukje sili-cium namen zij inderdaad het door Shockley voorspelde veldeffekt waar. Hiermee verkregen zij versterking, maar de werking was beperkt tot zeer
lage frekwenties vanwege het elektroliet. Ook met germanium namen zij het veldeffekt waar, maar het effekt was juist het tegenovergestelde van het voorspelde effekt. Bij vervanging van het elektroliet door een metalen elektrode verkregen zij versterking op basis van onverwachte effekten. Op 23 december 1947 demonstreerden zij de eerste goed werken-de vaste-stof-versterker. Deze werkte niet volgens het beoogwerken-de velwerken-def- veldef-fektprincipe. Zij bestond uit een stukje n-type-germanium waarop twee metalen puntkontakten zeer dicht bij elkaar waren geplaatst. Het germa-nium deed dienst als stuurooster om een elektrische stroom door het
germanium tussen de twee puntkontakten te kunnen regelen. Deze verster-ker kreeg de naam puntkontakt-transistor (RIM,46; EID, 120,121; AIE,72,
73).
De naam "transistor" was afkomstig van Pierce van de Bell Laboratories. Hij bedacht een naam die paste in het rijtje bestaande halfgeleiderpro-dukten, zoals thermistor en varistor:
" •.• and then at that time the transistor was supposed to be the dual of the vacuum tube, so if a vacuum tube had transconductance, this must have transresistance and so I was led to suggest transistor" (RIM,51). Op 30 juni 1948 maakte de Bell Laboratories de uitvinding van de tran-sistor openbaar (AIE,74). Van publieke zijde kwam weinig reaktie (RIM, 52). De uitvinding van de transistor was het resultaat van een langdu-rig proces van wetenschappelijke inspanning. Het zou jaren duren voor-dat het belang ervan tot de wereld buiten de laboratoria doordrong.
Ook aan de verdere ontwikkeling van de transistor zou wetenschappelijke inspanning ten grondslag liggen. Pas na een jarenlange technologische ontwikkeling, in sterke wisselwerking met de ontwikkeling van de kennis op halfgeleidergebied, zou de invloed van de transistor op grote schaal merkbaar worden.
Onmiddellijk na de ontdekking van de puntkontakt-transistor besloot Shockley zijn onderzoek naar de veldeffekt-transistor tijdelijk terzij-de te leggen. Hij concentreerterzij-de zich op een verbetering van terzij-de bipolai-re transistor (AIE,74). Hij verplaatste de aandacQt van
metaal-halfge-leider-overgangen naar pn-overgangen. Hij deed dat in zijn beroemde ar-tikeluit 1948, "The theory of junctions in semiconductors and pn-junction transistors". Zijn artikel werd destijds echter geweigerd. In
/i.t
collector basis emitter+
~
+
n -t p-.
n+
-
L.-l
doorlaat-richting!
+
p nt_
sper-t
richtingl1949 begon Shockley de exacte beschrijving var. de werking van de lagen-transistor in zijn boek "Electrons and holes in semiconductors". Hij deed dit zonder dat de lagentransistor ooit gebouwd was. Zijn boek werd gepubliceerd in 1950 (RIM,50). Zijn theorie was de basis waarop de hui-dige typen diodes en transistors zich zouden ontwikkelen (VGT,40). Vanwege het belang van deze theorie voIgt hieronder een vereenvoudigde weergave. Eerst wordt de werking van de pn-overgang bekeken. De pn-over-gang komt voor in een diode, die bestaat uit een stukje halfgeleider, die deels van het p-type is en deels van het n-type. Metalen verbindin-gen aan de p-zijde en aan de n-zijde zorverbindin-gen voor de stroomtoevoer (fig. 3, links).
~affMu
tr)01Nt
h{
~/R
1
efd
-J{1,
Fig. 3. Schema van een pn-diode (links) en een npn-transistor (rechts).
Als er geen spanning staat tussen de metalen elektroden, dan is er een
depletielaag aan weerszijden van de pn-overgang. De depletielaag ont~ .
staat doordat elektronen uit de grenslaag van het n-gebied bij de over-gang de gaten opvullen in de grenslaag van het p-gebied bij de overover-gang. Hierdoor verdwijnen in deze grenslagen de vrije ladingsdragers, die voor de geleiding zorgen. Rond de pn-overgang blijft een dunne laag van grote weerstand achter, de depletielaag. Bij een positieve spanning van de p-elektrode t.o.v. de n-elektrode stromen in het p-gebied gaten in
de richting van de overgang en in het n-gebied elektronen in de rich~
ting van de overgang. Deze vrije ladingsdragers dringen van beide zij-den de depletielaag binnen, die dan ophoudt te bestaan. Aan de overgang ontmoeten de elektronen en de gaten elkaar en rekombineren met elkaar. Dit proces van stroomgeleiding duurt voort zolang de positieve spanning blijft bestaan. Deze situatie is getekend in figuur 3, links. De pijlen bij de metalen elektroden geven de richting van de positieve stroom aan, hetgeen tevens de doorlaatrichting is. Bij een negatieve spanning van de p-elektrode t.o.v. de n-elektrode verwijderen de vrije
ladingsdra-gers zich aan beide zijden van de overgang, hetgeen een verbreding van de depletielaag tot gevolg heeft. De depletielaag geleidt geen stroom. De spanning staat dan in de sperrichting.
10s van deze gelijkrichtende werking van de pn-overgang bestaat een ef-fekt waarvan in diodes ook veel gebruik wordt gemaakt. Dit efef-fekt treedt op als de spanning in de sperrichting wordt opgevoerd boven de z.g. doorslagspanning. Boven de doorslagspanning maken gebonden elektronen zich vrij en zorgen voor geleiding.
Ret gelijkrichtmechanisme van de pn-overgang vertoont overeenkomst met dat in de metaal-halfgeleider-overgang, beschreven door Schottky. De
effekten in een metaal-halfgeleider-overgang zijn minder sterk
(?).
Ineen metaal-halfgeleider-overgang treedt niet in aile gevallen gelijk-richting op, afhankelijk van het gebruikt soort halfgeleider en het ge-bruikt soort metaal. Sommige metaal-halfgeleider-overgangen geleiden in beide richtingen. Hiervan wordt gebruik gemaakt in de verbindingen
tussen de metalen elektroden en de halfgeleider van diodes en
transis-tors, die werken op basis van pn-overgangen.
De bipolaire transistor bestaat uit twee pn-overgangen. Deze kunnen op
twee wijzen worden samengesteld: als pnp-transistor of als
npn-tran-sistor. Rieronder wordt de werking van de npn-transistor bekeken. De werking van de pnp-transistor is hieraan analoog. De npn-transistor
be-staat uit een stukje halfgele~der, die uit twee gebieden van het n-type
bestaat, gescheiden door een zeer dunne laag van het p-type.(fig. 3, rechts). De twee n-gebieden heten collector en emitter, het dunne p-ge-bied heet basis. In figuur 3, rechts, is de situatie getekend, waarin de transistorwerkt als versterker. De basis heeft een negatieve span-ning t.o.v. de collector: de basis-collector-overgang is gesperd. De basis heeft een positieve spanning t.o.v. de emitter: de basis-emitter overgang geleidt. In de dunne basis komen de meeste elektronen uit de emitter in de buurt van de basis-collector-overgang voordat zij kunnen
rekombineren met een gat. Ee~aal in de buurt van de
basis-collector-overgang worden de elektronen door de positieve spanning van de collec-tor t.o.v. de basis in de colleccollec-tor getrokken. Deze elektronen zorgen dus voor een stroom tussen emitter en collector. Deze stroom heeft een sterkte, die een veelvoud is van de stroomsterkte tussen emitter en
ba-S1S. Een kleine spanningsvariatie tussen basis en emitter gaat gepaard
met een kleine stroomvariatie tussen basis en emitter en een grote
stroomvariatie tussen collector en emitter. Er treedt dus stroomverster-king Ope De positieve stroomrichting (welke tegengesteld is aan de
rich-ting van de elektronenstroom en gelijk aan de richrich-ting van de gaten-stroom) in de metalen elektroden is in figuur 3 aangegeven met pijlen. Bij een flinke variatie van de basis-emitter-spanning tussen nul en een positieve waarde varieert ook de collector-emitter-stroom tussen nul en een positieve waarde. Zo kan de transistor als schakelelement dienen.
Voor de werking van de transistor is het gedrag van de vrije elektronen,
die uit de emitter de basis binnenkomen, van essentieel belang. Deze elektronen zorgen voor geleiding tUBsen emitter en collector in het p-gebied van de basis, waar tegelijkertijd gaten bijdragen in de gelei-ding tussen basis en emitter. Waar in een p-gebied normaal de geleigelei-ding door gaten gebeurt, gebeurt geleiding in de basis van een transistor
tegelijkertijd door elektronen. Shockley onderkent dit verschijnsel en maakt expliciet onderscheid tussen minderheidsladingsdragers en meer-derheidsladingsdragers. In de beschreven transistor zijn de elektronen in de basis de minderheidsladingsdragers.
Uit deze beschrijving blijkt het belang van de basisdikte voor het rea-liseren van stroomversterking. Als de basis niet dun genoeg is, dan gaan de meeste elektronen uit de emitter naar de basis i.p.v. naar de collector. Dan is er geen stroomversterking meer.
Ook andere eigenschappen van de transistor worden in hoge mate door de fysieke bouw ervan bepaald. Zo heeft de basisdikte eveneens een grote invloed op het frekwentiebereik. Bij snel wisselende spanningen werken de elektronen, die uit de emitter in de basis zijn gekomen, na. De duur van deze nawerking is de z.g. looptijd, de tijd die een elektron nodig heeft om van emitter naar collector over te steken. Een dunnere basis betekent dus een kortere looptijd en daarmee een hoger frekwentiebereik. Een hoger frekwentiebereik als versterker betekent tevens een grotere schakelsnelheid als schakelelement.
Ook het vermogen, dat een transistor kan leveren, hangt sterk af van de fysieke bouw•. Zo maakt een groot kontaktoppervlak aan de pn-overgangen een grote stroom tussen emitter en collector mogelijk.
Behalve versterking, frekwentiebereik, schakelsnelheid en vermogen zijn ook andere eigenschappen te beInvloeden, zoals stroom-spannings-karak-teristieken, warmteproduktie en -afvoer, gevoeligheid voor temperatuur
en vocht, schokvastheid, levensduur, en natuurlijk afmetingen. J
ru;•.
Behalve van de fysieke bouw hangen de transistoreigenschappen ook af
van het soort halfgeleider, het soort en de mate van verontreiniging,
de omhulling, de toevoerdraden, e.d.
'7
Rier ligt een taak voor de wetenschap en de industrie. De wetenschap kan het inzicht in de verbanden tussen de invloedsfaktoren en de
tran-sistoreigenschappen vergroten. Gewapend met deze wetenschap kan de
in-dustrie technologieen ontwikkelen om deze invloedsfaktoren te beheersen en daarmee transistors met aanvaardbare eigenschappen tegen aanvaardba-re kosten te produceaanvaardba-ren. Ret ontwikkelen van deze nieuwe technologieen plaatst de wetenschap weer voor nieuwe problemen. Daarmee is de cirkel rondo
Met Shockley's theorie van de lagentransistor was het wetenschappelijk inzicht daar. Ret was nu op de eerste plaats aan detechnologie om de transistor tot een aanvaardbaar produkt te maken.
Voor de produktie van transistors waren op de eerste plaats zuivere
halfgeleiderkristallen nodig. De oudste zuiveringstechniek was de optrek-methode ("pulling technique") van Czochralski, die dateerde van 1917. Rierbij wordt uit een smeltkroes, waarin gesmolten
halfgeleidermateri-aal juist boven het s~eltpunt wordt verhit, een stollende staaf
halfge-leider opgetrokken. De verontreinigingen blijven grotendeels achter in de smeltkroes. De staaf bestaat uit gezuiverde, polikristallijne half-geleider (EID,76). Op deze optrekmethode waren later verbeteringen aan-gebracht. Scaff en Theuerer hadden nog voor de Tweede Wereldoorlog ont-dekt dat het smelten van silicium in vacuUm zuiverder materiaal oplever-de (AIE,69). Tijoplever-dens oplever-de Tweeoplever-de Wereldoorlog was het zuiveren aan .oplever-de Purdue University tot grote perfektie gebracht (RIM,36).
Nu, na de uitvinding van de transistor, startten Teal en Little van de Bell Laboratories in de tweede helft van 1948 experimenten am met de optrekmethode eenkristallen van germanium te produceren. Zij slaagden erin eenkristallen van grote perfektie te kweken. Bovendien verhoogden zij de zuiverheid van het germanium door herhaald kristalliseren (EID, 121). Begin 1950 gebruikten Teal en Sparks van de Bell Laboratories de optrekmethode om eenkristallen te voorzien van pn-overgangen •. Zij
voeg-l;den aan de smelt korrels van de juiste verontreiniging toe, ZQ dat-,'zij .
een eenkristal verkregen met twee p-gebieden en daartussen een dunne n-laag.(RIM,64). Ret kristal werd dan in vele pnp-schijven gesneden. Aan iedere schijf bevestigde men de drie elektroden (OTP,12). Ret resultaat was de lagentransistor ("grown junction transistor"), die meer dan een
jaar tevoren door Shockley korrekt was beschreven.
In de periode 1949/50 experimenteerden Ohl en' Shockley van de Bell Labo-ratories met ionenimplantatie als techniek om halfgeleiders te doteren.
/8
Deze techniek zou echter pas na 1965 aantrekkelijk worden voor
commer-ciele produktie
(?).
Parallel aan de transistor ontwikkelde zich de elektronische digitale computer. Vanaf de tweede helft van de jaren 50 zouden deze twee ont-wikkelingen elkaar in sterke wisselwerking stimuleren tot een explosie-ve groei (MER,30).
De historie van de digitale computer gaat terug tot 1642, toen Pascal
~n Frankrijk de eerste mechanische digitale rekenmachine bouwde (EID,
41). Daarna, m.n. in de 19de eeuw, werden in Europa diverse mechanische digitale rekenmachines gebouwd (EID,35,36,41,45,51,61). Het eerste ont-werp voor een automatische (mechanische digitale) rekenmachine maakte Babbage in G.B. in 1833. Zijn ontwerp bev.atte aIle elementen van de te-genwoordige digitale computer, n.l. geheugen, besturingseenheid, reken-eenheid en invoer/uitvoer (EID,45). Babbage heeft de bouw van dit eer-ste computerontwerp nooit kunnen realiseren. Een eeuw later werden zijn ideeen werkelijkheid, toen Aitken met IBM (International Business
Machi-·t-~V.S.
nes)',een elektromechanische digitale computer bouwde. De bouw van het
gevaarte van 16 m lang en 2! m hoog duurde van 1939 tot 1944. Daarnaast
z~Jn in de V.S. in dezelfde periode nog enkele elektromec~nische
digi-tale computers gebouwd (EID,108; RIM,188; AlE, 53,102), m.b.v. relais.
De eerste elektronische computer was de bekende ENIAC in de V.S. Haar
bouw duurde van 1942 tot 1946. Zij had 18000 vacuumbuizen, besloeg
een vloeroppervlak van 16 m bij 9 m en woog 30 ton (EID,115; RIM, 188). In afmetingen en aantal onderdelen (7) kwam zij overeen met vergelijk-bare relaiscomputers. zij rekende echter ongeveer 1000 keer zo snel
(AIE,54). Daartegenover stond dat zij met haar 150 kW (AIE,54) veel
meer (?) vermogen verbruikte.De buizen produceerden veel warmte,
waar-voor afvoer nodig was. Voorts behoefden de buizen waar-voortdurend vervan-ging (RIM, 78).
In de V.S. en G.B. begon vanaf 1947 de bouw van diverse typen (digitale) buizencomputers. De eerste installaties van deze vroege typen vonden plaats in 1950/51. In zo'n buizencomputer lag het aantal vacuUmbuizen, alsook het aantal halfgeleiderdiodes, in de orde van 1000 of 10000 (EID,
117,120,122; AlE, 101). imd~str;l
..
Gezien de nadelen van de vacuUmbuis was de computerVeen grote potentiele markt voor transistors.
