Na počátku byla dioda, elektrotechnická součástka se dvěma elektrodami, katodou a anodou. Zapojíme-li ji do obvodu jedním směrem, proud hladce prochází, kdežto v opačném směru je téměř nevodivá.

Některé diody při průchodu proudu svítí, těm se říká LED (Light-Emitting Diode). Dnes se dají vyrábět v několika barevných variantách, nesmírně levně a jejich provoz také spotřebovává jen minimální množství elektrické energie. Navíc v normálních podmínkách vydrží dlouho, rozsvěcejí se ihned do plné zářivosti, jsou malé, neobsahují jedovatou rtuť, jejich jas lze regulovat a snesou i nárazy a otřesy, po kterých by žárovka nebo zářivka praskla. Není divu, že v posledních letech téměř kompletně vytlačily předchozí způsoby osvětlení.

Za druhé světové války už byly diody dávno známy a měly svá praktická použití. Jeden z klíčových prvků techniky, který umožnil Velké Británii ubránit se před německým blitzem, byl radar. Díky němu věděli Britové, ze kterého směru se právě blíží německá letadla, a mohli proti nim nasazovat svoje stíhačky včas. Jak válka běžela, konstrukce radarů se zdokonalovaly. Jejich součástí byly i diody vyrobené z germania, vzácného polokovu, který umí reagovat na elektromagnetické vlnění. Úkol vyrobit co nejčistší germanium pro produkci diod dostaly na starost týmy vědců na amerických univerzitách. Jedna z nich, Purdue University v Indianě, měla koncem války už k dispozici velmi pěkné a praktické germaniové diody. A z těch měl jednoho dne vyrůst tranzistor.

Hledání pružnosti

„Jednosměrné“ fungování diody má svůj logický popis. Jedním směrem proud prochází, můžeme jej označit jako 1. Opačným směrem neprochází, budiž to tedy 0. S těmito dvěma základními prvky už máme k dispozici celý matematický systém, binární soustavu. Zná jen jedničku a nulu a s nimi si vystačí.
Zápisy čísel v binární soustavě jsou dlouhé – například číslo 2019 bychom zapsali jako 11111100011. Člověku by jejich délka vadila, snadno by se při práci s takovými řetězci čísel přehlédl, přepsal, unavil.
Stroje ale problémy s pozorností nemají. Jednoduchost celé abecedy – 1, 0 – je pro ně naopak výhodná, zjednodušuje jejich fungování. Místo deseti číslic potřebují jen dvě. Dioda reprezentuje v jednom směru nulu a v druhém jedničku, což se v některých situacích vyplácí.

Například tehdy, když chceme střídavý proud přeměnit na stejnosměrný. Je však pevná, rigidní. Od okamžiku, kdy ji zabudujeme do obvodu, slouží jen jedním způsobem. Otázka, kterou si začali klást otcové elektroniky už začátkem 20. století, zněla: Nešlo by vyrobit „něco jako diodu“, která by se ale dala přepínat? Čili občas by fungovala jako nula a občas jako jednička, podle toho, jak zrovna potřebujeme? A co kdybychom chtěli signál nejen „srovnat“, ale i zesílit? Zesilování bylo v éře začínajícího rozhlasu důležité: přeměnit slaboučký rádiový signál na něco, co dokáže zaslechnout lidské ucho, je právě to, co radiopřijímač musí umět.

První doklad o tom, že přemýšlení nad „vylepšenou diodou“ přineslo nějaké teoretické modely, máme z Kanady. Tam si Julius Lilienfeld, rodák z tehdy rakouského Lvova, nechal roku 1925 patentovat návrh zařízení, které dnes známe jako unipolární tranzistor. O deset let později získal podobný patent v Německu mladý inženýr Oskar Heil. Ani jeden z obou mužů však neuvedl svoje konstrukce do praxe, zůstaly jen na papíře a průmysl si jich nikdy nevšiml. (O mnoho desetiletí později, koncem 20. století, sestavili nadšenci jeden z Heilových návrhů a zjistili, že funguje velmi dobře. Kdoví, kam by se nacistické Německo s touto technologií dostalo, kdyby si jí všimlo včas a umělo ji využít.)

Dočasným řešením, které ale vládlo světu nějakých pár desítek let, se stala vakuová elektronka skládající se z katody, anody a jedné či více žhavicích mřížek mezi nimi. To jsou ty „lampy“, které odhalíte ve starém rádiu, odmontujete-li mu kryt. Signál zesilují bez problémů a dobře snášejí chvilková přepětí v síti, což bylo tehdy podstatné. Někteří kytaristé na lampové zesilovače dodnes nedají dopustit a polovodičovým se vyhýbají, i když by na nich ušetřili. Za kvalitnější, plnější, sytější zvuk to prý stojí.

„Lampy“ ale mají i svoje slabiny. Po několika tisících hodin používání se „vypálí“ a je nutno je vyměnit, podobně jako žárovky. Jako každý předmět ze skla jsou i ony křehké a těžko se smiřují s nárazy a otřesy – což je velké omezení v průmyslu i dopravě. Jsou fyzicky velké a stroj, který by jich používal tisíce, bude potřebovat vlastní sál – a vlastní elektrárničku, protože jedna každá elektronka spotřebuje dost energie. Příklad z praxe? ENIAC, první počítač světa (1945), byl ještě elektronkový stroj. Měl těch „lamp“ dvacet tisíc, vážil 27 tun a spotřebovával 150 kilowattů elektrické energie. Kdykoli jej obsluha spustila, světla města Filadelfie na okamžik zablikala. Pokud se měla počítačová technika dále rozvíjet, bylo patrné, že tudy cesta nevede.

Bellovy laboratoře

Mnoho velkých objevů 20. století přišlo na svět náhodou. Proslulý je například příběh o tom, jak Alexander Fleming objevil díky zplesnivělé Petriho misce penicilin. William Shockley, šéf týmu vylepšujícího v Bellových laboratořích diody, do téhle skupiny nepatřil. Od počátku věděl, co dělá a čeho chce dosáhnout – co nejkvalitnějšího zesilovače signálu. Otázkou bylo, kolik slepých uliček přitom jeho lidé „vymetou“.

Slepých uliček mělo být hodně. Inženýři a vědci v Bellových laboratořích věděli, že jedním z klíčů je germanium, polovodič, jehož vlastnosti se dají ovlivnit drobnými příměsemi jiných materiálů. Jaké další materiály ale budou potřeba? Některé jejich mezivýsledky byly spíše k vzteku; buď příliš křehké, nebo teplotně nestabilní, nebo záhadně fungující a nefungující podle nejasných principů. Kvantová fyzika, která popisuje chování elementárních částic, byla tou dobou ještě dost nerozvinutá. V polovině prosince 1947 nastal konečně průlom. Zařízení sestavené z kousku umělé hmoty, velmi tenkého zlatého plíšku a kousku germania zesilovalo signál – a jak! Skoro osmnáctinásobně. 23. prosince 1947 předvedli objevitelé svůj vynález ostatním kolegům z Bellových laboratoří. Objev byl zveřejněn v červnu 1948. Nová součástka zesilovala lépe než lampy, ale zároveň fungovala jako přepínač – dokázala spínat a vypínat proud probíhající skrz ni, tedy chovat se jako jednička nebo jako nula. Neměla žádné pohyblivé části a zejména byla velmi, velmi rychlá. Už i původní tranzistory se dokázaly sepnout a vypnout mnohokrát za sekundu, dnešní modely to dokážou i mnohomilionkrát. To už je hodně jedniček a nul, což znamená velmi rychlé výpočty.

Hlavní slabinou nového vynálezu bylo germanium samotné. V zemské kůře jej moc není a největší zásoby jsou v Rusku a Číně. Navíc se germaniový tranzistor rychleji zahřívá a původní konstrukce přestávala fungovat už kolem 80 stupňů Celsia. Jen o několik let později se však ukázalo, že tranzistory lze vyrábět i z jiného materiálu – křemíku. Na rozdíl od germania je křemík úplně všude, v každé hrsti hlíny, tvoří víc než čtvrtinu zemské kůry. Dá se dobře získávat například z písku. A aby toho nebylo málo, křemík má daleko lepší teplotní vlastnosti, takže i běžný křemíkový tranzistor může fungovat v širokém rozpětí teplot od cca –60 až po +200 stupňů Celsia. Což už pro většinu aplikací na Zemi pohodlně stačí.

Éra integrovaného obvodu

Křemíkové tranzistory se dají zmenšovat. Jak se zmenšují, potřebují ke svému provozu čím dál méně energie a pracují o to rychleji. Doba velkých, viditelných a hmatatelných součástek tak brzy pominula.
Nahradily je integrované obvody vyráběné pomocí fotolitografie. Na tenkou destičku čistého křemíku se obvod „nakreslí“ za pomoci ultrafialového laseru. Následně je dokončen vyleptáním a doplněním vodivých spojů. Výsledný procesor je velmi malý a dá se vyrábět ve velkých sériích. Nejstarší IBM PC XT mělo ve svém procesoru 29 tisíc tranzistorů, současné CPU se pohybují mezi dvěma a deseti miliardami. Miniaturizace zašla tak daleko, že začíná narážet na fundamentální fyzikální omezení. Například na to, že jednotlivé tranzistory v čipu mezi sebou nemohou komunikovat rychleji než rychlostí světla, a ta už se se zvyšováním frekvence procesorů blíží. Rovněž odvod odpadního tepla je problém, proto se současné procesory v počítačích osazují mohutnými větráky a proto některé notebooky pálí do klína. Nadšenci pracující s tekutým dusíkem dokážou ochladit procesory ve svých PC až hluboko pod nulu, aby z nich vyždímali další gigahertzy; u mobilních zařízení to očividně nejde.

Lze se posunout ještě dále? Možná. Ke zmenšování tranzistorů máme ještě nějaký prostor. Místo běžného ultrafialového záření by se dalo používat extrémní (EUV), které dokáže vykreslit tranzistory o velikosti několika nanometrů. Průmyslové zvládnutí této technologie však stále ještě naráží na problémy, například na prach, jehož drobné částečky mohou proces kreslení úplně znehodnotit. Němečtí výzkumníci v Karlsruhe pak roku 2006 představili nejmenší tranzistor světa, ve kterém k přepínání stavů slouží jeden jediný atom. Těžko říci, zda takovou titěrnost bude někdy možné vyrábět průmyslově ve velkém. Jisté ale je, že od časů žhavených lamp ušla elektronika obrovský kus cesty – během trvání jediného lidského života.