Waarom is de transistor de belangrijkste uitvinding van de twintigste eeuw?

De transistor is een elektronische schakelaar die elektriciteit kan doorlaten of tegenhouden. Transistors zitten in alle digitale apparaten en ze vormen het fundament van moderne computers. Zonder transistors zou de wereld er nu totaal anders uitzien: geen mobiele apparaten, geen mens op de maan, en een simpele rekenmachine zou je halve huis in beslag nemen. 

In de jaren 50 zijn radio’s en televisies nog grote, lompe apparaten omdat er vacuümbuizen in verwerkt zitten. Vacuümbuizen, ook wel elektronenbuizen, diodebuizen of radiobuizen genoemd, zijn buizen waar de lucht uit is verwijderd en die dus vacuüm zijn. Ze werken als ventielen die de elektrische stroom in één richting laten stromen. Het is de Britse elektro-ingenieur Joh Ambrose Fleming die deze voorloper van de transistor in 1904 uitvindt.

Het Amerikaanse leger laat in 1946 een buizencomputer bouwen waar ruim 17.000 vacuümbuizen in verwerkt zijn: de ENIAC, de afkorting voor Electronic Numerical Integrator And Computer. Dit monsterlijke apparaat van ruim  28.000 kilo wordt gezien als de eerste elektronische computer. De ENIAC verbruikt evenveel elektriciteit als 15.000 tablets maar heeft minder rekenkracht dan een goedkope mobiele telefoon. De eerste opdracht die ENIAC krijgt is om berekeningen uit te voeren ten behoeve van de waterstofbom. 

Sinds de jaren ‘80 worden er nog nauwelijks apparaten met vacuümbuizen gemaakt. Alleen voor speciale toepassingen, zoals voor gitaarversterkers, zijn ze nog in omloop. De buizen verbruiken namelijk veel stroom en zijn ook nog eens breekbaar. Verder hebben ze na het inschakelen tijd nodig om warm te worden voordat je er wat aan hebt. 

In Bell Telephone Laboratories in de Amerikaanse stad New Jersey gaan wetenschappers op zoek naar een alternatief voor vacuümbuizen om elektronische apparaten te besturen. Ze maken daarbij gebruik van de stoffen silicium en germanium. 

Op 16 december 1947 is er een grote doorbraak in hun onderzoek. Walter Brattain en John Bardeen sturen een elektrische stroom door gouddraden op een plastic driehoek die ze boven een germaniumkristal houden. Ze ontdekken dat germanium het signaal bijna honderd keer zo sterk maakt. Op 23 december 1947 geven ze een publieke demonstratie en deze dag gaat de boeken in als de geboortedag van de transistor.

Een paar weken later doet William Shockley ook een grote ontdekking. Hij maakt de transistor nog efficiënter door drie lagen germanium op elkaar te leggen. 

Vanaf de jaren 60 worden transistors gemaakt van silicium. Dit scheikundig element is goedkoper dan germanium en werkt ook nog eens beter bij hogere temperaturen. Moeilijk te krijgen is silicium ook niet, want het is uit zand te halen. De eerste transistors worden nog met de hand gemaakt. Technici verbinden draadjes terwijl ze door een microscoop turen. In 1956 krijgen John Bardeen, Walter Brattain en Wiliam Shockley gezamenlijk de Nobelprijs voor hun uitvinding van de transistor.

Een typische transistor heeft drie pootjes. Dat zijn de aansluitingen voor de collector, de emitter en de basis. De ingang van de transistor is de collector die is aangesloten op een voedingsbron zoals een batterij of het stopcontact. De uitgang van de transistor is de emitter. Vanaf de emitter loopt er bijvoorbeeld stroom naar een lampje. Of er wel of niet stroom gaat lopen van de batterij naar het lampje is afhankelijk van de basis van de transistor. 

Door een simpele transistor lopen twee verschillende stroomkringen: een grote en een kleine. Of er stroom loopt door de grote stroomkring is afhankelijk van de basis die de deur wel of niet kan openzetten voor de grote stroomkring. De basis zet die deur pas open als ze zelf een heel klein beetje stroom ontvangt. Door een klein beetje stroom naar de basis te sturen kun je de grote stroomkring aan- of uit zetten. Een transistor is dus een schakelaar. Door de transistor net iets anders te gebruiken kun je hem ook inzetten als versterker.

Er zijn materialen, geleiders genaamd, die elektriciteit goed geleiden. Denk bijvoorbeeld aan ijzer. Isolatoren zijn materialen die juist slecht geleiden. Hout is daar een voorbeeld van. Het essentiële onderdeel van de transistor is de halfgeleider. Halfgeleiders zijn materialen die alleen onder bepaalde omstandigheden stroom doorlaten. De meest gebruikte halfgeleidende stoffen zijn germanium en silicium. Silicium is nog steeds een ontzettend belangrijke grondstof, bijvoorbeeld voor zonnepanelen, sommige lasers en computerchips. Het is dan ook geen toeval dat Silicon Valley in Californië, waar veel beroemde technologiebedrijven gevestigd zijn, is vernoemd naar silicium. Silicon is het Engelse woord voor silicium. 

De transistor dient in de beginjaren vooral als geluidsversterker. In 1952 worden de eerste transistors gebruikt in gehoorapparaten en daarna in radio’s. Transistorradio’s zijn veel kleiner dan radio’s met vacuümbuizen. Ze zijn ook nog eens goedkoper en gaan langer mee. Voor jongeren in de jaren 60 staat het woord transistor gelijk een draagbare radio. Door de transistorradio krijgen radiostations veel meer luisteraars. Ze beginnen 24 uur per dag uit te zenden. In 1954 komt de Regency TR-1 op de markt: de eerste pocketradio met maar liefst vier transistors. Het apparaat werkt op batterijen en kan dus gemakkelijk overal mee naar toe.

De transistorradio kost nog een vermogen en de geluidskwaliteit is matig, maar toch gaan de draagbare radio’s als warme broodjes over de toonbank. De transistor draagt ook zeker bij aan de opkomst van rock-'n-roll als muziekstroming. Zouden we Elvis Presley nu wel kennen als de transistor niet was uitgevonden?

En ook de ruimtevaart is enorm beïnvloed door de uitvinding van de transistor. De ruimtereizen in de jaren 60 zijn alleen mogelijk omdat transistors de computers aan boord klein genoeg maken om in een space shuttle te passen. Zonder de transistor had de mens dus nooit voet kunnen zetten op de maan. 

Ingenieur Jack Kilby werkt in 1958 voor Texas Instruments. Omdat hij nog maar net in dienst is, heeft hij in de zomer nog geen vrije dagen opgebouwd. Hij werkt daarom door terwijl zijn collega’s op vakantie zijn. Het blijkt een vruchtbare zomer: hij vindt daar in alle eenzaamheid op 34-jarige leeftijd de siliciumchip uit. Op een stukje silicium ter grootte van een duimnagel maakt hij minuscule transistors en verbindende leidingen. Deze uitvinding levert Kilby in 2000 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.