Sten Niklasson: Sand som blir guld

Förkortningen Si,kisel med atomnummer 14, är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan efter syre och finns bland annat i sand, lera och en mängd bergarter.  Ämnet har mycket gemensamt med en av jordelivets viktigaste byggstenar, atomnummer 6 C,kol, och sciencefictionförfattare har därför vävt fantasier om att liv på främmande himlakroppars skulle kunna vara kiselbaserat.

Både kisel och kol behöver komplettera sina atomer med extra elektroner och bildar därför lätt föreningar med andra ämnen. Men till skillnad mot kol kan inte kisel lösas i vatten. Eventuella kiselbaserade rymdvarelser  måste därför avstå från sådana evolutionära finesser som blod och andra vätskor som behövs för att cirkulera näringsämnen och avfallsprodukter. Dessutom är kisel inte smidigt nog för att i likhet med kol bilda de ringformade molekyler vi kallar socker och som i form av kolhydrater är livsviktiga för levande organismer. Det är därför svårt att föreställa sig kiselbaserat högre liv.

Men kisel har lyckats krångla sig in i en evolutionär nisch genom att konkurrera med ett annat nära besläktat grundämne som man hittar i raden just nedanför i det periodiska systemet, nämligen nummer 32 Ge, germanium. Detta skulle så småningom komma att tillförsäkra kisel en avgörande roll i mänsklighetens utveckling.

Historien börjar år 1945 i Bell laboratories i New Jersey. Där arbetade elektroingenjören William Shockley med att försöka hitta en ersättning för vacuumrören i förstärkare och datorer.  Äldre läsare av denna text minns kanske att radioapparater förr utstötte ett illavarslande tjut när de sattes på och vacuumrören värmdes upp. Dessa rör, eller ”lampor” som de ofta kallades, var klumpiga, ömtåliga och benägna att överhettas. Men de behövdes hur som helst för att förstärka svaga elektroniska signaler och hindra elektroner att flöda baklänges i elektriska kretsar. Shockley anade att ”halvledare” vore en bättre lösning.  En sådan kunde vara ett kristallint matrial som inte leder ström lika bra som en metall, till exempel koppar, men som inte heller utesluter strömledning som en isolator. Den fungerar genom att släppa förbi tillräckligt med ström för att driva en krets (-”ledare”) men samtidigt inte så många att elektronerna blir omöjliga att kontrollera (”halv”-). Men Shockleys tekniska lösning fungerade dåligt.

Han överlämnade därför projektet till två assistenter, John Bardeen och Walter Brattain. Detta radarpar kom snart fram till att alternativet kisel i halvledare var alltför sprött och svårt att rena. Eftersom de var goda kemister, räknade de ut att germanium skulle vara ännu bättre. I december 1947 lyckades de med hjälp av detta material bygga världens första så kallade ”solid state”- komponent. De kallade den ”transistor”. Den var en liten justerbar ”ventil” som styrde ett större elektriskt flöde med hjälp av svagare signaler och kunde användas som förstärkare, strömbrytare och spänningsregulator.

Shockley var förmodligen inte en ondsint person, men under de följande åren gjorde han allt för att framhäva sin egen roll i sammanhanget, vilket bland annat ledde till att Bardeen deporterades till ett annat laboratorium.

I takt med att transistorindustrin växte explosionsartat, växte bekymren för ingenjörerna. Germanium visade sig vara otillförlitligt och hade en tendens att helt upphöra att fungera vid höga temperaturer. Vid ett möte med ledande halvledaranvändare år 1954 ägnades mycken tid åt att försöka förklara varför man inte lyckats hitta ett sätt att utnyttja det stabilare ämnet kisel. Till slut reste sig en ingenjör från Texas vid namn Gordon Teal upp och tillkännagav att han hade en kiseltransistor i fickan och var beredd att demonstrera den. Den klentrogna församlingen höll andan.

Teal kopplade en germaniumbaserad musikspelare till några externa högtalare och doppade helt enkelt den kritiska förstärkardelen av dess innanmäte i ett fat med kokande olja. Musiken dog snabbt. Han bytte därefter ut germaniunkretsarna mot kiselkomponenter och doppade ner den nybestyckade förstärkardelen i den heta oljan. Musiken fortsatte opåverkad. Folk rusade till telefonerna med den epokgörande nyheten.

År 1956 fick pionjärerna Bardeen, Brattain och Shockley, nobelpriset i fysik. Detta var en av skandalerna i nobelprisets historia, eftersom priskommitten förbisett att dessa herrars insats baserades på patent som beviljats redan 1925 av en forskare vid namn Julius Lilienfeldt.

Två år senare drabbades halvedarindustrin av ytterligare en kris. Hjälten i den historien var en lång man från Kansas med namnet Jack Kilby som just blivit anställd i Texas Instruments med uppgift att lösa ett hårdvaruproblem som kallades The Tyranny of Numbers. Bakgrunden var att de billiga kiseltransistorerna visserligan fungerade utmärkt, men de avancerade kretsar som nya tekniska mirakel som datorer och industrirobotar innehöll, krävde enorma mängder av dem. De stora elektronikföretagen tvangs därför anställa arméer av lågavlönade tekniker, huvudsakligen kvinnor, som dagarna i ända med hjälp av mikroskop lödde fast smådelar och koppartrådar på kretskorten. Det var oundvikligt att de känsliga lödningarna då och då lossnade och förorsakade driftstopp. Men ingen kunde komma på ett sätt att minska antalet transistorer.

Eftersom nyanställda inte åtnjöt någon semester, fick Kilby laboratoriet för sig själv under några heta sommarveckor. Han utnyttjade tiden och frånvaron av vakande arbetsledare för att utveckla en idé som han kallade ”integrerade kretsar”. Den gick ut på att miniatyrisera och integrera komponenter som transistorer, resistorer och dioder på samma lilla halvledarplatta av kisel och, istället för att förbinda dem med lödning och koppartråd, etsa fram förbindelsevägarna direkt i plattan. Det betydde dessutom att tillverkningen av dessa ”microchips” kunde automatiseras och därmed förbilligas. Kilby idé kopierades snart av andra, men år 2000 förärades han sent omsider årets nobelpris i fysik.

Sand hade blivit till guld.

Sten Niklasson är författare och tidigare generaldirektör