טרנזיסטור

טרנזיסטור (באנגלית: Transistor, הלחם בסיסים של Transmitter ו־Resistor) הוא רכיב אלקטרוני הבנוי מחומר מוליך למחצה ומשמש למגוון רחב מאוד של מטרות. הטרנזיסטור משמש כמתג אלקטרוני - מתח בקרה או זרם בקרה שולטים בזרם החשמלי דרך ההתקן. המונח טרנזיסטור הוא שילוב המלים מעביר (טרנס), כלומר מוליך, ומתנגד (רזיסט). הטרנזיסטור הוא רכיב מפתח בכל תעשיית האלקטרוניקה המודרנית. במעגלים סיפרתיים משמש הטרנזיסטור כמתג חשמלי מהיר, כאבן בניין לבניית שערים לוגיים, זיכרון גישה אקראית (RAM) והתקנים אלקטרוניים אחרים. במעגלים אנלוגיים משמשים טרנזיסטורים להגברה, ליצירת תנודות, לייצוב מתח, לאיפנון ולעירבול.
בשנות השישים, טרנזיסטור היה גם השם הנפוץ לרדיו טרנזיסטור, מקלט רדיו זעיר נייד, שהשתמש בטרנזיסטורים (במקום בשפופרות ריק) כרכיבים האלקטרוניים הפעילים. זוהי עדיין אחת מההגדרות המילוניות לטרנזיסטור.

היסטוריה

שפופרות הריק בישרו את תחילתה של הטכנולוגיה האלקטרונית. אולם, עם הרחבת השימוש בהן, החסרונות של השפופרות - גודלן, כמות החום שהן יצרו ושבירותן - הפכו לבעיתיים יותר ויותר. בעקבות התפתחויות חדשות בתחום הפיזיקה התאורטית ומכניקת הקוונטים, אשר הצביעו על האפשרויות הגלומות בחומרים מוליכים למחצה, נבחר ויליאם שוקלי על ידי מעבדות בל לנהל מחקר על חומרים מוליכים למחצה.
ב־1945 הציע שוקלי תכנון של מגבר בו שדה חשמלי יווסת את זרם האלקטרונים ליד שכבת סיליקון. ניסויים עם חומרים שונים לא הניבו תוצאות מעודדות עד נובמבר 1947. אז, בעקבות תובנה תאורטית מבריקה, טעות ומזל, הצליחו המדענים תוך כחודש ליצור מגבר העשוי מחומר מוליך למחצה. ב־23 בדצמבר 1947, הציגו שוקלי ועמיתיו ג'ון ברדין ווולטר בראטיין, טרנזיסטור עובד בפני בכירים בחברה. טרנזיסטור זה זכה לכינוי point-contact transistor. גילוי זה זיכה את שלושתם בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1956. בעקבות הניסוי המוצלח, פיתח שוקלי תכנון משופר של הטרנזיסטור - טרנזיסטור הצומת. באופן אירוני, התכנון המקורי היה מאמץ לפתח טרנזיסטור־תוצא־שדה (באנגלית FET, קיצור של Field Effect Transistor), שאותו חזה כבר בשנת 1925 יוליוס אדגר לילינפלד, אך לבסוף נבנה התקן שהפך לטרנזיסטור ביפולרי (באנגלית BJT, קיצור של Bipolar Junction Transistor). 
במהלך שנות החמישים, טרנזיסטורים הפכו לנפוצים יותר, והופיעו במרכזיות טלפון (1952), מכשירי עזר לשמיעה (1953) ומקלטי רדיו ניידים (1954). ב־1953 הופיע ה־CK722, הטרנזיסטור הראשון (והיחיד כמעט במשך כעשור) לחובבנים. טרנזיסטורים מסדרת ה־CK722 היו בעצם טרנזיסטורים שיוצרו על ידי רייתאון (Raytheon) עבור מכשירי עזרי השמיעה שלהם, אולם לא עמדו בבקרת האיכות. כמחצית מכלל הטרנזיסטורים שיצרה החברה לא עמדו בבדיקה זו, הם חולקו לשתי קבוצות (לפי מדד נוסף) והקבוצה הנחותה נמכרה לחובבנים. 
לקראת סוף שנות החמישים מספר הטרנזיסטורים המיוצרים בשנה עמד כבר על עשרות מיליונים, ובארצות הברית פעלו בתחום קרוב ל־20 חברות. עולם האלקטרוניקה התחיל במגמת מיזעור, שהאיצה עם המצאת טרנזיסטור MOS בשנת 1960, וטכנולוגיית ה־CMOS בשנת 1967. מגמת מיזעור הרכיבים קיימת עד היום, ורמת המיזעור מוכפלת כל כשנתיים על פי חוק מור. באוקטובר 2015 פורסם שחברת IBM מפתחת טרנזיסטורים ממוזערים שעשויים להשאיר בתוקף את חוק מור עד לאחר שנת 2028 אך בשנת 2016 הצהיר סמנכ"ל אינטל וראש חטיבת הטכנולוגיה והייצור, ויליאם הולט, שבעתיד לא יוכלו לשפר את ביצועי המעבדים אלא רק את צריכת החשמל שלהם.

שימושים וטכנולוגיות

הטרנזיסטור, הנחשב לדעת רבים כאחת ההמצאות החשובות בהיסטוריה, הוא רכיב מפתח בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית. חשיבותו של הטרנזיסטור נובעת מן היתרונות המשמעותיים אשר מציע הטרנזיסטור לעומת שפופרת ריק - גודל, אמינות, צריכת הספק נמוכה והאפשרות לייצרו בכמויות אדירות (דבר המביא למחיר נמוך ליחידה). כל אלה חוללו מהפכה בעולם האלקטרוניקה בכלל ובתעשיית המחשבים בפרט. הטרנזיסטור הפך לרכיב המחליף כמעט באופן מוחלט כל מטלה שאינה מכנית. במכשירים רבים, גם פשוטים יחסית, לרוב זול יותר להשתמש במעגל משולב (הבנוי מכמה מיליוני טרנזיסטורים) מאשר בהתקן מכני כדי לבקר את פעולתו. כיום, החליפו הטרנזיסטורים את רוב ההתקנים האלקטרומכניים, והם מופיעים בכמויות ענק בכל ציוד אלקטרוני, במחשבים (מעבד מודרני מכיל כמה מאות מיליוני טרנזיסטורים), אך גם בכלי רכב, מכונות כביסה ומכשירים רבים אחרים.

התפתחויות צפויות

הדור השני של המחשבים שהגיע בשלהי 1950 ו־1960 הכיל לוחות המלאים בטרנזיסטורים בודדים וליבות מגנטיות. התפתחות טכנולוגיית המעגל המשולב איפשרה יצירה של מעגל אחד עם הרבה טרנזיסטורים על אותה פיסת סיליקון משולבים עם רכיבים אחרים (קבלים בעיקר, סלילים תופסים מקום רב מדי). כל החיבורים הוכנסו לתוך רכיב אחד הניתן לייצור המוני. מספרם של הטרנזיסטורים הבודדים זעום יחסית למספר הטרנזיסטורים הנמצאים במעגלים משולבים. למרות זאת הם עדיין שימושיים במעגלי הספק ומעגלים אנלוגיים. 
קבוצות רבות של מדענים מנסות זה עשרות שנים לייצר טרנזיסטורים קטנים ויעילים ככל האפשר. ב־2 ביוני 2005, סטודנטים ופרופסורים באוניברסיטת אלברטה יצרו טרנזיסטור המורכב ממולקולה יחידה. קיימים גם ניסיונות למצוא חומרים ביולוגיים שיתפקדו כטרנזיסטורים.