Transistor zendt licht uit

Herbert Blankesteijn

Medio vorig jaar leek het Beet een opmerkelijke ontwikkeling dat bucky- of nanobuizen licht konden uitzenden [Buckybuizen bedraden nieuwe chips]. Buckybuizen bestaan uit koolstofatomen in een patroon van opgerold kippegaas; IBM was erin geslaagd ze in het laboratorium te laten opgloeien. Een transistor kon deze microgloeidraadjes aan- en uitzetten. De hoop was dat ze een rol konden spelen in een eventuele optische computer. Maar de wetenschap gaat snel. Vandaag rapporteert Beet dat transistors zélf licht kunnen uitzenden. Buckybuizen zijn misschien niet nodig in de computer van morgen.

Nick Holonyak, Jr. en Milton Feng van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben dit bekendgemaakt. Zij zijn niet de eersten de besten. Zo heeft Holonyak (1928) in het verleden de eerste 'light emitting diode' (led) ontwikkeld en de eerste laser die zichtbaar licht uitzendt. Dergelijke onderdelen zitten nu in apparaten als cd- en dvd-spelers. Milton Feng (1950) heeft ook heel wat bereikt. Zo werd in november bekend dat zijn lab de snelste transistor ooit heeft gemaakt: 509 gigahertz. Beide grossieren in wetenschappelijke prijzen.

Transistors worden gemaakt van halfgeleiders, zoals silicium. Het is niet bijzonder dat een halfgeleider licht uitzendt. Dat heeft Holonyak al decennia geleden tot stand gebracht met de led. In een klassieke led zit aluminium-gallium-arsenide in twee varianten. De ene helft is van het n-type, waarin negatief geladen electronen vrij kunnen bewegen. In de andere helft zitten 'gaten' waarin electronen passen. Die 'gaten' kunnen ook bewegen en gedragen zich daarbij als positieve ladingen, vandaar dat dit het p-type wordt genoemd. Wordt de diode onder stroom gezet, dan stromen electronen uit het n-gedeelte in de gaten in het p-materiaal, en daarbij ontstaat licht. Dat is de rode gloed van bijvoorbeeld de cijfertjes op een wekkerradio.

De lichtgevende transistor is geboren toen Feng in zijn supersnelle transistors overklaarbaar hoge stromen mat. Waar bleef die energie? Holonyak suggereerde dat die als licht zou kunnen worden afgevoerd. Immers, ook een transistor bestaat uit n- en p-materialen waardoorheen een stroom loopt. Holonyak bleek gelijk te hebben en vermoedt nu dat de eerste transistor, mede gemaakt door zijn leermeester Bardeen (twee Nobelprijzen) in 1947, hoogstwaarschijnlijk ook licht uitzond. Maar dit was te weinig om te detecteren (en waarschijnlijk was het geen zichtbaar licht), waardoor de microelectronica is ontstaan in plaats van de micro-optica.

Als een electron in een gat ploft wordt de energie van de 'val' in licht omgezet. Deze energie bepaalt de kleur, en hij hangt af van de materiaaleigenschappen. De intensiteit van het licht hangt onder andere af van de dichtheid van electronen en gaten en is dus ook een eigenschap van de gebruikte stoffen. Na uitvoerig onderzoek om de lichtopbrengst van de 'let' te optimaliseren hebben Feng en Holonyak gekozen voor de materialen galliumarsenide en indium-galliumfosfide, die in moderne led's ook in zwang zijn. Ze kunnen de lichtopbrengst variëren met de basisstroom op de transistor. Toepassingen zouden gevonden kunnen worden in optische computers, die met licht rekenen in plaats van met electriciteit. Dat zou veel sneller moeten kunnen dan de huidige computers werken, en dergelijke computers zouden minder last hebben van hun eigen warmteproductie. Een andere toepassing ligt op het gebied van beeldschermen. De huidige platte schermen werken op basis van vloeibare kristallen, waarbij in elk beeldpuntje een vloeibaar kristal het licht kan aan- of uitdoen. Bij elk beeldpuntje zit een transistor als schakelaar om dit proces te besturen (net als bij de lichtgevende buckybuizen van IBM). Met lichtgevende transistors kunnen schermen veel eenvoudiger en dus goedkoper worden uitgevoerd: het vloeibaar kristal kan vervallen, en de lichtbron erachter ook. Maar zoals gebruikelijk zal het jaren duren voordat deze wetenschappelijke doorbraak in de winkels is terug te vinden.