טרנזיסטור

טרנזיסטור (מ, Transfer-Resistor) הוא רכיב אלקטרוני עם שלושה הדקים, עשוי חומר מוליך למחצה, שמשמש כמתג או כמגבר. מבט בסיסי: הטרנזיסטור שולט בזרם בין שני הדקים לפי הזרם או המתח בדק השלישי.

בעידן שלפני הטרנזיסטור השתמשו בשפופרות ריק. הן היו גדולות, חמות וצורכות הרבה חשמל. במחקר במעבדות בל הוביל ויליאם שוקלי צוות שהניב ב־1947 את הטרנזיסטור הראשון (point-contact transistor). הממציאים ג'ון ברדין, וולטר בראטיין ושוקלי קיבלו על התגלית פרס נובל בשנת 1956. שוקלי פיתח בהמשך את טרנזיסטור הצומת (BJT), גם אם חלק מהרעיון המקורי של FET הוצע כבר קודם.

חומר מוליך למחצה הוא חומר שמוליך חשמל פחות ממתכת ויותר מבידוד. על ידי הוספת אטומים זרים בתהליך שנקרא אילוח (doping) מייצרים או אלקטרונים עודפים (n) או חורים, מקומות ללא אלקטרונים (p). כך שינויים קטנים בכימיה של הגרעין משנים את המוליכות.

טרנזיסטור MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) הוא הסוג השכיח ביותר היום. בטרנזיסטור זה יש "שער" (Gate) מבודד מעל המצע. הפעלת מתח על השער יוצרת תעלה של נושאי מטען, ובה זורם הזרם בין המקור (Source) לשפך (Drain). יש NMOS (מצע P, הולכת אלקטרונים) ו‑PMOS (מצע N, הולכת חורים). כשהתעלה קצרה יותר, הטרנזיסטור מיתג מהר יותר. המצאת טרנזיסטור MOS הייתה סביב 1960, וטכנולוגיית CMOS (שילוב NMOS ו‑PMOS) הופיעה כעיקרית בשנות ה‑60.

BJT (Bipolar Junction Transistor) הוא טרנזיסטור ביפולרי עם בסיס (Base), פליטה (Emitter) וקולקטור (Collector). זרם קטן בבסיס מאפשר זרם גדול בין קולקטור לאמטר. לכן משתמשים בו בעיקר להגברה.

טרנזיסטורים הם אבני הבניין של אלקטרוניקה מודרנית. במעגלים דיגיטליים הם משמשים כמתגים לבניית שערים לוגיים, זיכרונות ומעבדים. במעגלים אנלוגיים הם משמשים להגברה, יצירת תנודות וייצוב מתח. הטרנזיסטור החליף את רוב שפופרות הריק בגלל גודלו הקטן, צריכת האנרגיה הנמוכה והאמינות. המגמה של מזעור הובילה לחוק מור, מספר הטרנזיסטורים בשבב כמעט מכפיל כל תקופה קבועה, ומעבדים מודרניים מכילים מיליארדי טרנזיסטורים.

בטכנולוגיית CMOS משתמשים בטרנזיסטורים מסוג NMOS ו‑PMOS יחד. דוגמה פשוטה היא מהפך (NOT): PMOS מקשר למתח גבוה כשהקלט אפסי, ו‑NMOS מקשר לאדמה כשהקלט גבוה. כך מקבלים יציבות בצריכת הספק במצב סטטי.

המחקר ממשיך לקטן את הטרנזיסטורים ולשפרם. יש ניסיונות ליצור טרנזיסטורים מולקולריים מאז 2005. חוקרים גם בוחנים חומרים ביולוגיים ותכניות חדשות לשיפור צריכת האנרגיה, כשהאתגר הוא לשמור על ביצועים בזמן שמקטינים את הגודל.

טרנזיסטור הוא חלק קטן במעגל חשמלי עם שלושה "רגליים". הוא עשוי חומר שנמצא בין מוליך לבדיד, שנקרא מוליך למחצה. רגל אחת שולטת בזרם בין שתי הרגליים האחרות.

לפני כן השתמשו בשפופרות ריק. הן היו גדולות וחמות. בשנת 1947 גילו שלושה מדענים בבל־לבורטוריז טרנזיסטור עובד. הם היו ברדין, בראטיין ושוקלי.

מוליך למחצה משתנה כשהוסיפו לו אטומים אחרים. הוספת אטומים זו נקראת אילוח. אילוח יוצר אלקטרונים חופשיים או "חורים". כך אפשר לשלוט בזרם החשמלי.

הסוג הכי נפוץ נקרא MOSFET. יש לו "שער" מבודד שמושך או דוחה מטען. כשהשער מקבל מתח, נוצרת תעלה שדרכה זורם הזרם.

BJT הוא סוג אחר. זרם קטן בבסיס פותח זרם גדול בין הקולקטור לאמטר. משתמשים בו להגברה.

טרנזיסטורים נמצאים במחשבים, טלפונים וחלקי זיכרון. הם החליפו את השפופרות. היום שבב מחשב מכיל מיליונים עד מיליארדים של טרנזיסטורים.

המדענים מנסים לעשות טרנזיסטורים קטנים יותר. גם ניסו לבנות טרנזיסטור ממולקולה ב־2005. יש גם מחקרים על חומרים ביולוגיים לתפקוד כטרנזיסטור.