Bagaimana Transistor Bekerja

Jika sel adalah bahan penyusun kehidupan, transistor adalah bahan penyusun revolusi digital. Tanpa transistor, keajaiban teknologi yang Anda gunakan setiap hari seperti ponsel, komputer, mobil akan sangat berbeda.

Sebelum transistor, insinyur produk menggunakan tabung vakum dan sakelar elektromekanis untuk menyelesaikan rangkaian listrik. Tabung jauh dari ideal. Mereka harus melakukan pemanasan sebelum bekerja (dan terkadang kepanasan saat melakukannya), mereka tidak dapat diandalkan dan besar dan mereka menggunakan terlalu banyak energi.

Segala sesuatu mulai dari televisi, sistem telepon, hingga komputer awal menggunakan komponen ini, tetapi pada tahun-tahun setelah Perang Dunia II, para ilmuwan mencari alternatif untuk tabung vakum. Mereka akan segera menemukan jawabannya dari pekerjaan yang dilakukan beberapa dekade sebelumnya.

Pada akhir 1920-an, fisikawan Amerika Polandia Julius Lilienfeld mengajukan paten untuk perangkat tiga elektroda yang terbuat dari tembaga sulfida. Tidak ada bukti bahwa ia benar-benar menciptakan komponen tersebut, tetapi penelitiannya membantu mengembangkan apa yang sekarang disebut transistor efek medan, bahan penyusun chip silikon.

Dua puluh tahun setelah Lilienfeld mengajukan patennya, para ilmuwan mencoba menggunakan idenya untuk penggunaan praktis. Sistem Telepon Bel, khususnya, membutuhkan sesuatu yang lebih baik daripada tabung vakum untuk menjaga agar sistem komunikasinya tetap berfungsi. Perusahaan itu mengumpulkan tim yang terdiri dari tim pemikiran ilmiah bintang, termasuk John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley, dan menempatkan mereka untuk bekerja meneliti pengganti tabung hampa.

Pada tahun 1947, Shockley adalah direktur penelitian transistor di Bell Telephone Labs. Brattain adalah pakar fisika solid-state serta pakar sifat struktur atom padatan dan Bardeen adalah insinyur listrik dan fisikawan. Dalam setahun, Bardeen dan Brittain menggunakan elemen germanium untuk membuat sirkuit penguat, juga disebut transistor kontak titik. Segera setelah itu, Shockley memperbaiki ide mereka dengan mengembangkan transistor junction.

Tahun berikutnya, Bell Labs mengumumkan kepada dunia bahwa mereka telah menemukan transistor yang berfungsi. Nama paten asli untuk transistor pertama mengikuti deskripsi ini: Penguat semikonduktor; elemen sirkuit tiga elektroda memanfaatkan bahan semi konduktif. Itu adalah frase yang terdengar tidak berbahaya. Tetapi penemuan ini menjaring tim Bell Hadiah Nobel Fisika 1956, dan memungkinkan para ilmuwan dan insinyur produk kendali yang jauh lebih besar atas aliran listrik.

Transistor adalah perangkat yang mengontrol pergerakan elektron dan akibatnya, listrik. Mereka bekerja seperti keran air, tidak hanya memulai dan menghentikan aliran arus, tetapi juga mengontrol jumlah arus. Dengan listrik, transistor dapat mengalihkan atau memperkuat sinyal elektronik, memungkinkan Anda mengontrol arus yang bergerak melalui papan sirkuit dengan presisi.

Transistor yang dibuat di Bell Labs awalnya dibuat dari elemen germanium. Ilmuwan di sana tahu bahwa germanium murni adalah isolator yang baik. Tetapi menambahkan pengotor (proses yang disebut doping) mengubah germanium menjadi konduktor lemah, atau semikonduktor. Semikonduktor adalah material yang memiliki sifat di antara isolator dan konduktor, memungkinkan konduktivitas listrik dalam berbagai derajat.

Penemuan transistor bukanlah kebetulan. Untuk bekerja dengan baik, transistor membutuhkan bahan semikonduktor murni. Kebetulan tepat setelah Perang Dunia II, peningkatan dalam penyempurnaan germanium, serta kemajuan dalam doping, membuat germanium cocok untuk aplikasi semikonduktor.

Tergantung pada elemen yang digunakan untuk doping, lapisan germanium yang dihasilkan adalah tipe negatif (tipe-N), atau tipe positif (tipe-P). Dalam lapisan tipe-N, elemen doping menambahkan elektron ke germanium, sehingga elektron lebih mudah melonjak keluar. Sebaliknya, dalam lapisan tipe-P, elemen doping spesifik menyebabkan germanium kehilangan elektron, sehingga elektron dari material yang berdekatan mengalir ke arahnya.

Tempatkan tipe-N dan tipe-P berdekatan satu sama lain dan Anda membuat dioda P-N. Dioda ini memungkinkan arus listrik mengalir, tetapi hanya dalam satu arah, properti yang berguna dalam pembangunan sirkuit elektronik.

Transistor lengkap adalah langkah selanjutnya. Untuk membuat transistor, para insinyur melapisi germanium yang didoping untuk membuat dua lapisan saling membelakangi, dalam konfigurasi P-N-P atau N-P-N. Titik kontak disebut junction, demikian nama transistor junction.

Dengan arus listrik yang dialirkan ke lapisan tengah (disebut basis), elektron akan berpindah dari sisi tipe-N ke sisi tipe-P. Tetesan kecil awal bertindak sebagai sakelar yang memungkinkan arus yang jauh lebih besar mengalir. Dalam rangkaian listrik, ini berarti transistor bertindak sebagai sakelar dan penguat.

Saat ini, sebagai pengganti germanium, elektronik komersial menggunakan semikonduktor berbasis silikon, yang lebih andal dan lebih terjangkau daripada transistor berbasis germanium. Tetapi begitu teknologi ini berkembang pesat, transistor germanium digunakan secara luas selama lebih dari 20 tahun.

Transistor bekerja terutama sebagai sakelar dan amplifier. Mengingat fungsi-fungsi tersebut, tidak mengherankan jika perangkat terkait suara menjadi produk komersial pertama yang menggunakan transistor. Pada tahun 1952, alat bantu dengar transistorized masuk ke pasar. Namun, ini adalah produk khusus, dibandingkan dengan radio transistor yang muncul pada tahun 1954. Radio memaparkan produsen dan konsumen pada potensi transistor yang merevolusi.

Fungsi transistor di radio sangatlah mudah. Suara direkam melalui mikrofon dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal tersebut berjalan melalui rangkaian, dan transistor memperkuat sinyal, yang selanjutnya jauh lebih keras ketika mencapai speaker.

Namun, meyakinkan produsen bahwa konsep dasar ini akan berhasil pada produk yang diproduksi secara massal bukanlah tugas yang mudah. Pada tahun 1954, transistor terbukti tetapi merupakan komponen elektronik baru. Produsen perangkat telah menggunakan tabung vakum secara menguntungkan selama bertahun-tahun, sehingga mereka ragu untuk beralih ke transistor.

Tetapi Pat Haggerty, wakil presiden di sebuah perusahaan bernama Texas Instruments, yakin bahwa transistor akan merevolusi industri elektronik. Texas Instruments menggunakan terobosan Bell Labs dalam transistor germanium untuk mengembangkan radio transistor kecil berukuran saku, dengan bantuan sebuah perusahaan kecil di Indiana bernama IDEA. Bersama-sama, kedua perusahaan menciptakan radio bernama Regency TR-1, yang diumumkan pada 18 Oktober 1954.

Dari awal hingga akhir, perlombaan untuk membuat TR-1 membutuhkan suku cadang baru yang inovatif yang muat di dalam wadah berukuran saku, yang cukup kecil untuk benar-benar menarik perhatian dunia. Speaker, kapasitor, dan komponen lainnya dibuat hanya untuk proyek ini. Transistor, bagaimanapun, adalah apa yang benar-benar memungkinkan proyek tersebut.

Texas Instruments merancang proses untuk memproduksi transistor secara massal untuk radio mereka, dan dalam proses tersebut, membuktikan bahwa transistor dan produk selanjutnya dapat terjangkau, lebih portabel dan lebih efektif daripada tabung vakum. Dalam setahun, perusahaan lain, seperti Emerson, General Electric dan Raytheon, semuanya mulai menjual produk berbasis transistor. Ledakan elektronik modern telah dimulai.

Begitu alat bantu dengar dan radio yang diproduksi secara massal menjadi kenyataan, para insinyur menyadari bahwa transistor juga akan menggantikan tabung vakum di komputer. Salah satu komputer pra-transistor pertama, ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) yang terkenal memiliki berat 30 ton, sebagian berkat lebih dari 17.000 tabung vakumnya. Jelas bahwa transistor akan sepenuhnya mengubah teknik komputer dan menghasilkan mesin yang lebih kecil.

Transistor Germanium jelas membantu memulai era komputer, tetapi transistor silikon merevolusi desain komputer dan melahirkan seluruh industri di Silicon Valley yang dinamai tepat di California.

Pada tahun 1954, George Teal, seorang ilmuwan di Texas Instruments, menciptakan transistor silikon pertama. Segera setelah itu, pabrikan mengembangkan metode untuk memproduksi transistor silikon secara massal, yang lebih murah dan lebih dapat diandalkan daripada transistor berbasis germanium.

Transistor silikon bekerja dengan sangat baik untuk produksi komputer. Dengan rekayasa cerdas, transistor membantu komputer menjalankan sejumlah besar kalkulasi dalam waktu singkat. Operasi sakelar transistor sederhana inilah yang memungkinkan komputer Anda menyelesaikan tugas-tugas yang sangat kompleks. Dalam chip komputer, transistor beralih antara dua status biner – 0 dan 1. Ini adalah bahasa komputer. Satu chip komputer dapat memiliki jutaan transistor yang terus menerus berpindah, membantu menyelesaikan kalkulasi yang rumit.

Dalam chip komputer, transistor tidak terisolasi, komponen individu. Mereka adalah bagian dari apa yang disebut sirkuit terintegrasi (juga dikenal sebagai microchip), di mana banyak transistor bekerja bersama untuk membantu komputer menyelesaikan kalkulasi. Sirkuit terpadu adalah salah satu bagian dari material semikonduktor yang dimuat dengan transistor dan komponen elektronik lainnya.

Komputer menggunakan arus tersebut bersama-sama dengan aljabar Boolean untuk membuat keputusan sederhana. Dengan banyak transistor, komputer dapat membuat banyak keputusan sederhana dengan sangat cepat, dan dengan demikian melakukan kalkulasi kompleks dengan sangat cepat juga.

Komputer membutuhkan jutaan atau bahkan milyaran transistor untuk menyelesaikan tugas. Berkat keandalan dan ukuran transistor individu yang sangat kecil, yang jauh lebih kecil dari diameter sehelai rambut manusia, para insinyur dapat mengemas transistor dalam jumlah yang tak terduga ke dalam beragam produk komputer dan produk terkait komputer.

Pada 1960-an dan 1970-an, produk transistorized sebagian besar menggunakan desain transistor persimpangan dasar yang dikembangkan oleh Bell Labs. Kemajuan dalam pengembangan silikon di tahun 1970-an menyebabkan transistor efek medan semikonduktor oksida logam metal oxide semiconductor field effect transistors /MOSFET). MOSFET menggunakan prinsip yang sama dengan transistor lain, tetapi jenis silikon N dan P lebih murah, disusun secara berbeda dan diolah dengan jenis logam dan oksida lain, tergantung pada tujuan penggunaan.

Ada banyak jenis transistor lainnya juga. Insinyur mengkategorikan transistor berdasarkan bahan semikonduktor, aplikasi, struktur, peringkat daya, frekuensi operasi, dan variabel lainnya. Seiring kemajuan teknologi, para insinyur belajar bahwa mereka dapat membuat banyak transistor secara bersamaan, pada bahan semikonduktor yang sama, bersama dengan komponen lain seperti kapasitor dan resistor.

Hasilnya adalah apa yang disebut sirkuit terintegrasi. Sirkuit ini, biasanya disebut “chip”, mengandung milyaran transistor sangat kecil. Sejak 1960-an, jumlah transistor per unit area telah berlipat ganda setiap 1,5 tahun, yang berarti para insinyur dapat menjejalkan lebih banyak transistor menjadi produk yang lebih kecil dan lebih kecil.

Transistor komersial silikon modern mungkin berukuran lebih kecil dari 45 nanometer. Mereka sangat kecil sehingga kartu grafis baru NVDIA (nama kode GF100) memiliki lebih dari 3 miliar transistor, yang paling banyak dimasukkan ke dalam satu chip. Dan transistor ini adalah raksasa dibandingkan dengan yang akan datang di masa depan.

Ilmuwan dari Yale dan Korea Selatan baru-baru ini menciptakan transistor molekul pertama di dunia, yang terbuat dari satu molekul benzena. Meskipun ukurannya yang kecil luar biasa, para insinyur menekankan bahwa mereka tidak terlalu peduli dengan ukuran besar karena mereka adalah efisiensi. Chip kontemporer menghasilkan banyak panas yang terbuang karena transistor mereka tidak mengalirkan energi seefisien yang diinginkan pembuat produk; transistor molekuler mungkin memegang kunci untuk meningkatkan efisiensi secara besar-besaran.

Bahan transistor juga berubah, berkat kemajuan terbaru dalam bahan yang disebut graphene. Graphene mentransfer elektron jauh lebih cepat daripada silikon, dan dapat menghasilkan prosesor komputer yang 1.000 kali lebih cepat daripada produk berbasis silikon.

Tidak peduli ke mana perkembangan berjalan, pasti transistor akan terus mendorong penelitian produk dan kemajuan teknologi yang bahkan belum dapat kita bayangkan. Komputer akan menjadi lebih cepat, lebih murah, dan lebih andal. Ponsel dan pemutar musik akan menyusut ke dimensi super-mungil, dan masih lebih murah dari model sebelumnya.

Itulah kekuatan transistor dalam mengubah lanskap teknologi, dan pada akhirnya, masyarakat kita secara keseluruhan. Bukan kinerja yang buruk untuk perangkat sederhana yang ditemukan lebih dari 60 tahun yang lalu.