Transistör, Bell Laboratuvarları ve Daha Nicesi Üzerine

Apollo 11’i kontrol eden bilgisayar 0.043 MHz hıza sahipti. (bkz: Resim 1) Yani günümüz elektronik tost makinelerinin işlemci hızıyla aynı. ^[1] Şimdilerde arabaların, uçakların, gemilerin de mikroçipli kontrol sistemleri var, bütün diğer elektronik eşyalar gibi... (bkz: Resim 2)

Transistörü 1947’de ilk defa yapan ekip: John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley’den oluşuyordu. Ama bu bilim insanlarından ziyade bu üçlünün çalıştığı yere değinmek lazım; Bell Laboratuvarları. Telefonun mucidi Alexander Graham Bell’in ta kendisinin Volta -evet aklınıza Volt(aj) gelmeli- ödülünden kazandıklarını kullanarak kurduğu araştırma şirketi. 

Bell laboratuvarı, parçacığın aynı zamanda dalga da olduğunu, evrenin kozmik dalga arkaplanını, atomların lazerlerle soğutulup hapsedilmesini, dağınık ve manyetik sistemlerin elektronik yapısını, kuantum akışkanlarını, floresan mikroskobunun geliştirilmesini, dijital kameralarda kullanılan (yük-eşleşmeli algıç – Charge Coupled Dedector) CCD’yi ve transistörün bulunması/yapılması gibi 8 nobel ödülü getirecek çalışmalara imza attı (J. Bardeen transistör dışında, süperiletkenleri açıklayan B.C.S. teorisiyle bir nobel daha alıp bu sayıyı 9’a çıkarmış diyebiliriz). 

Resim 2- Mikroçipli elektronik eşyalardan bazıları.  

Bell laboratuvarı (Bell-Lab) çalışanlarının Unix/Linux ve C-programlamasını da bulanların çalıştığı şirket olduğunu da eklemeliyim. Yine Bell-Lab öncülüğünde kurulan AT&T (American Telephone and Telegraph Company) halen daha dünyanın en büyük iletişim şirketidir. ^[2] Bell-Lab’ın ardındaki bu büyük deha Alexander G. Bell’in adı, çoğumuzun farkında olmadığı güç, radyo ve ses dalgalarının şiddetinin karşılaştırmalı birimi olan deciBel (dB)’de varlığını sürdürüyor.

Peki ya çığır açan bunca buluş değil de neden transistörün adı bir çağ olmalı? Transistörü bu kadar önemli ve farklı kılan ne? Bu sorulara yanıt vermesi için Shakespeare’in Hamlet’ini hatırlamak lazım: “olmak ya da olmamak”.

Resim 4- Transistör genelde bir su musluğu gibi düşünülür. Mesela bu tipte, Collector (1)’den Emitter (3)’e akım gidiyor, Base (2)’de musluk gibi akışa karar veriyor.

Transistör kelimesi kökenini transfer ve resistor sözcüklerinin karışımından alıyor, yani üzerinden akım geçmesini düzenleyen direnç. ^[3] Bir diğer deyişle, hep değil, biz istediğimizde yani Enter’a veya bir tuşa falan bastığımızda akımı ileten dirençler. Dünyanın gelişme aşamasında olan en hızlı transistörü, bir çeşit karbon olan Grafen’den yapıldı ve tam 100 GHz, yani bizim şuan kullandığımız Silikon transistörlü -evet aklınıza Silikon Vadisi gelmeli- bilgisayarlarımızdan yaklaşık 10 kat mertebesinde daha hızlı. ^[4]

Transistörlerden bahsederken dünyanın en büyük işlemci üreticisi Intel’in kurucularından Gordon Moore’un yasasından da bahsetmek lazım. Moore kanunu, transistörlerin boyutunun yaklaşık 2 yılda bir, yarıya küçüleceğini; bir diğer deyişle bir mikroçip devresindeki transistör sayısının 2 yılın sonunda ikiye katlanacağına öngörüyor. Şöyle örnekliyim, 90’ların sonunun şanslı neslinin dilinden düşmeyen Intel’in Pentium II (Klamath) işlemcisi 350 nanometrelik 7,5 Milyon tane transistörden oluşuyorken;  2008’de Intel Core i7 (quad)’nin 731 Milyon tane 45 nm’lik transistörü vardı. Yani 10 yılda, bilgisayar mikroçipinin içindeki transistör sayısı yaklaşık 10 katına çıkıp, büyüklüğü 8 kat azalmış. Eylül 2016 itibariyle, İphone 7’nin kullandığı Apple A10 işlemcisinin, 3.3 Milyar tane 16 nm’lik transistörleri var. ^[5] Şimdi, 1947’de üretilen ilk ve 1 tane transistörün ^[6] fotosuna bakmak daha da çarpıcı olmuştuştur:   

Resim 5- John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley’nin 1947’de yaptığı ilk ve 1 tane transistörün replikası (solda);  Apple’ın 2016’da sürdüğü 3.3 Milyar tane transistörlü A10 işlemcisiyle (yeşil halka)  Iphone 7 (sağda). 

İlk transistör santimetreler mertebesindeyken şuan dünyadaki en küçük transistörün boyu 1 nanometre (metrenin milyarda biri) ^[7]. 1 nanometre, birkaç atom kalınlığı demek çünkü 1 atom yaklaşık nanometrenin 3 te 1’i büyüklüğünde. Evet, nasıl ki evreni anlamak için atomun içine bakıyoruz; sanırım transistörü anlamak için de atomun içine doğru yolculuk yapmamız gerekiyor.

Transistörün elektrik iletimini düzenleyen bir devre elemanı olduğunu konuştuk. Elektrik sözcüğünün kökeni, Finikelilerden geliyor; elēkrŏn dedikleri şeyse karanlıkta kazağımızı çıkarırken oluşan parıldayan ışık’tan başka bir şey değil. Transistörlerin silikonla (silisyum barındıran bir polimer) yapıldığına cümle içinde değindik. Önceki yazımda Parçacık Hızlandırıcıların ^[8] mikroçip/transistör üretiminde kullanıldığına da söylemiştik. O zaman her şeyi birleştirmeden önce son bir iş periyodik tabloya bir bakıp lise kimya bilgilerimizi hatırlayalım:

Resim 6- Periyodik tablo. Silisyum (Si), Bor (B) ve Antimon (Sb) transistör üretiminde kullanılan yarı-metallerden. Gruplar değerlik elektron sayılarına göre adlandırılıyor.

Silisyum 4A grubunda yani 4 tane serbest elektronu var, bir diğer deyişle 4 bağ yapabilir. Haydi biraz safsızlaştıralım, ve silisyum “atomlarının arasına” hızlandırılmış (kinetik enerjisi artırılmış) antimon(Sb) gönderelim. Si atomu 4A grubundan, ama Sb 5A grubundan, bu ikili birleşirse bir elektronun boşta kalması demek (doğa bunu kendi başına yap(a)maz, değerlilik elektronlarının doublet’e(2) veya octet’e(8) tamamlaması lazım. Zaten doğal gerçekleşmeyeceği için, parçacık hızlandırıcısına veya başka metotlara ihtiyacımız var).  İşte Sb ile kaplanan Si gibi fazladan elektron barındıran transistörlere n-tipi (negatif tip) transistör diyoruz (negatifliği, fazla elektronuna vurgu). Antimon yerine 3A grubundan Bor (B) gönderirsek de doğal olarak 1 tane elektron eksik kalacak. Yani Si atomunda eşleşmemiş 1 elektronumuz varken, Bor atomunda bir boşluk oluşacak, bu boşlukla elektron yer değiştirerek “elektrik” iletimini sağlayacak. Bu tip normalden eksik elektronlu transistörlere p-tipi (pozitif tip) transistörler denir (Sadece silisyum atomları varken silisyumların hepsi bağ yapmıştı ve nötrdü, şimdi nötrden az elektrona sahipler; yani pozitifler). Resim 7’de bu sürecin görsel özeti var.

Resim 7 -  İşlemciler transistörlerden oluşuyor, kimi transistörlerse Silisyumun (Si), Antimon (Sb) ve Bor(B) gibi elementlerle elektrostatik hızlandırıcılarla kaplanmasıyla (coating) yapılıyor.

Tabiki bu kaplama (coating) işini yapması için bir ağır iyon hızlandırıcısına ihtiyacımız var, bu hızlandırıcının CERN’deki gibi 27 kilometre falan olmasına gerek yok; birkaç metre olması yeterli. Antimon iyonları, Si yüzeye öyle bir enerjide göndermeli ki Si atomları onlarla bağ yapsın (1 Mega Volt DC voltajlı, 0.5 mA Sb akımı hızlandırıcısı bu iş için yeterli). ^[9]

Özetle, transistörün çalışması bilgisayar ve bilgi mühendisliği (informatics) ile ilgili. Anlatması edebiyat; yapması kimya, katı hal, parçacık ve hızlandırıcı fiziği ile ilgili. Çok çeşidi bulunan bu transistörlerden devre oluşturmak elektronik mühendislerinin işi. Kullanıcılar ise hepimiz. Sanırım elektronik bir eşyada bir tuşa bastığınızda artık kaç tane transistörü çalıştırdığınızı düşünmenin vakti geldi. Kısaca transistör demek çağ’ımızın vazgeçilmezi elektronik aletler demek. Öteki tarafta, transistörü bulan Bell-Lab ise, teknolojilerin alan alan ayrık değil de birbirlerinin içine ne kadar geçtiğini gösteren, bilime ilgisi olan bir ülkeyi, bir bilim insanı ve laboratuvarının ne kadar yükseltebileceğini kanıtlayan muazzam bir örnek olarak insanlık tarihindeki yerini koruyacak.

[1] http://www.computerweekly.com/feature/Apollo-11-The-computers-that-put-man-on-the-moon
[2] https://www.bell-labs.com/our-people/recognition/
[3] http://www.etymonline.com/index.php?term=transistor
[4] https://www.technologyreview.com/s/417392/graphene-transistors-that-can-work-at-blistering-speeds/
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count
[6] http://www.inventingeurope.eu/story/blinded-by-success&object
[7] https://newscenter.lbl.gov/2016/10/06/smallest-transistor-1-nm-gate/
[8] http://www.fizikist.com/parcacik-hizlandiricilari-uzerine/
[9] Ragnar Hellborg, “Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications” , sayfa 266, Springer, ISSN 1611-1052.  

Salim Oğur

Boğaziçi Üniversitesi / Fizik Doktora -