טרנזיסטור

טרנזיסטור (באנגלית: Transistor, הלחם בסיסים של Transfer-Resistor, או קיצור של Trans-Resistor) הוא רכיב אלקטרוני בעל שלושה הדקים הבנוי מחומר מוליך למחצה ומשמש למגוון רחב מאוד של מטרות. בצורה הפשטנית ביותר, ניתן לראות טרנזיסטור כמתג המסוגל לשלוט בזרם בין שניים מההדקים, כתלות בזרם הנכנס מההדק השלישי, או במתח המופעל עליו. מקור השם טרנזיסטור הוא בכך שניתן לתאר אותו כנגד (Resistor) בין שניים מההדקים, שערכו תלוי בהדק השלישי (נקבע לפי המתח על הדק זה או הזרם העובר דרכו).

הטרנזיסטור הוא רכיב מפתח בכל תעשיית האלקטרוניקה המודרנית. במעגלים סיפרתיים משמש הטרנזיסטור כמתג חשמלי, כאבן בניין לבניית שערים לוגיים, זיכרון גישה אקראית (RAM) והתקנים אלקטרוניים אחרים. במעגלים אנלוגיים משמשים טרנזיסטורים להגברה, ליצירת תנודות, לייצוב מתח או זרם, לאיפנון ולעירבול.

בעבר, טרנזיסטור היה גם השם הנפוץ לרדיו טרנזיסטור, מקלט רדיו נייד שהופעל בסוללות, שהכיל טרנזיסטורים (במקום שפופרות ריק) למימוש המעגלים החשמליים. זוהי עדיין אחת מההגדרות המילוניות לטרנזיסטור, אף כי מכשירי רדיו-טרנזיסטור אינם נפוצים כבעבר.

היסטוריה 
שפופרות הריק בישרו את תחילתה של הטכנולוגיה האלקטרונית. אולם, עם הרחבת השימוש בהן, החסרונות של השפופרות - גודלן, כמות החום שהן יצרו ושבירותן - הפכו לבעייתיים 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 פועל 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) לחובבי אלקטרוניקה. 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 לחובבים.

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 (Metal-Oxide-Semiconductor) בשנת 1960, וטכנולוגיית CMOS  (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) בשנת 1967. מגמת מזעור הרכיבים קיימת עד היום, ובמשך תקופה ארוכה מספר הטרנזיסטורים שניתן לכלול ברכיב בודד מוכפל כל כשנתיים, מגמה הקרויה 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.

רקע תאורטי 

חומר מוליך למחצה הוא חומר בעל מוליכות חשמלית נמוכה יחסית לחומרים מוליכים, אך גבוהה יותר מזו של חומרים מבודדים. ייחודם של חומרים אלה הוא במבנה הכימי של גבישיהם, המאפשר, על ידי הכנסת 'זיהום' (doping) בכמות קטנה, ליצור אוכלוסייה של נושאי מטען בחומר, ובכך לשנות את המוליכות של החומר. ריכוז נושאי המטען באזורים שונים של הגביש ניתן לשינוי באמצעים חשמליים וכך ניתן לממש התקנים חשמליים מורכבים.

ה'זיהום' המדובר הוא אטומים של יסוד אחר מעמודה סמוכה בטבלה המחזורית לזו של המוליך למחצה. בהתאם לסוג החומר המזהם, יהיו נושאי המטען בחומר שליליים (אלקטרונים עודפים) או חיוביים (אלקטרונים חסרים, הנקראים לעיתים גם חורים). פעולת ה'זיהום' נקראת בעברית גם אילוח (באנגלית doping). על ידי זיהום מבוקר ניתן לשלוט לא רק בסוג נושאי המטען בחומר, אלא גם בכמותם.

את החומר המוליך למחצה המזוהם, נהוג לסמן באותיות ובסמלים בהתאם לסוג נושאי המטען שנוצרו בו ולכמותם. חומר שקיים בו ריכוז נמוך של נושאי מטען חיוביים יסומן למשל בסימון p-, וחומר שקיים בו ריכוז גבוה של נושאי מטען שליליים יסומן בסימון n+. באופן כללי ניתן לומר שקיימים ארבעה סוגים של זיהומים:
+p-, p+, n-, n
אם כי רמות הזיהום יכולות להשתנות בצורה משמעותית בתוך הגדרות אלה.

סוגים של טרנזיסטורים

טרנזיסטור MOSFET 

טרנזיסטור Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET או בקיצור FET, הוא הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, ומשמש בעיקר במעגלים לוגיים. שמו נגזר מאופן פעולתו - שדה חשמלי יוצר תעלה שבה קיים ריכוז גבוה של נושאי מטען, ולכן יכול לזרום בה זרם חשמלי. אופן הפעולה של טרנזיסטורי FET דומה לזה של הטריודה אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה אפשרה בניית התקן מוקטן ללא צורך בשפופרת ריק (מצב מוצק). הטרנזיסטור מתפקד כמקור זרם תלוי-מתח - הפעלת מתח (שיוצר שדה חשמלי) מאפשרת זרימת זרם דרכו - וזה השימוש העיקרי שלו. ככל שאורך התעלה קטן יותר, זמן המיתוג (מעבר ממצב של נתק למצב של העברת זרם) מתקצר. אורך התעלה הוא לכן אחד הפרמטרים החשובים ביותר בטכנולוגיה. עם השנים, הטכנולוגיה משתכללת, ומאפשרת ייצור טרנזיסטורים בעלי אורך תעלה הולך וקטן. אורך התעלה נמדד במיקרונים ומשמש לעיתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של המעגל משולב. אורכי התעלה ירדו מסדר גודל של עשרות מיקרונים לננומטרים בודדים.

טרנזיסטור MOSFET בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח מסוים - הנקרא מצע (Bulk) - שעליו המצע מושתלים שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח שונה, המוצא (Source) והשפך (Drain). מעל ההתקן נמצא השער (Gate) - הדק מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה של חומר מבודד. בטרנזיסטורים העשויים מסיליקון המבודד הוא תחמוצת סיליקון.

כאשר המצע עשוי מחומר מוליך למחצה מסוג p, במצע יהיו הרבה חורים ומעט אלקטרונים חופשיים. האזורים המושתלים, לעומת זאת, עשויים מחומר n ולכן יש בהם הרבה אלקטרונים. על ידי הפעלת מתח חיובי על השער, ייווצר שדה חשמלי, שימשוך אלקטרונים מהמצע לעבר השער (הסבר מפורט ניתן למצוא בעקרון הפעולה של קבל). כך תיווצר שכבת אלקטרונים, שנקראת "שכבת אינוורסיה" (מלשון היפוך, שכן מדובר באזור p, שבו קיים לכאורה רוב של נושאי מטען חיוביים, אלא שהמתח בשער יוצר שכבה שבה רוב נושאי המטען הם שליליים) או "תעלה". כעת אם יופעל מתח חשמלי בין המקור לשפך, יזרום זרם אלקטרונים בין המקור לשפך דרך התעלה. טרנזיסטור MOS בעל מצע מסוג P נקרא NMOS (משום שההולכה בו היא הולכה של אלקטרונים), ואילו טרנזיסטור בעל מצע מסוג N נקרא PMOS (שבו ההולכה היא של חורים). בתמונה למעלה מתואר טרנזיסטור NMOS.

לטרנזיסטור מסוג N התנגדות תעלה נמוכה יותר מזו של סוג P עקב הבדלי ניידות בין אלקטרונים וחורים.

ניתן לייצר את הטרנזיסטור בשתי טכנולוגיות, depletion mode ו־enhancement mode. ב־enhancement mode, המצע מאולח כך שאינו מוליך ללא מתח בשער. ב־depletion mode, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה־MOSFET מיוצרים ב־enhancement mode, אך קיימים גם טרנזיסטורים מסוג NMOS בטכנולוגיית depletion.

ניתן לחלק את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל־3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו:
 תת־הולכה (sub-threshold) - כאשר המתח על השער נמוך ממתח הסף, אין כמעט שכבת אינוורסיה, ולכן לא יכול לזרום זרם מהמקור לשפך. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי דיפוזיה כתלות במתחים Vds ,Vgs.
 ליניארי - כאשר המתח על השער גבוה ממתח הסף, נוצרת שכבת אינוורסיה, והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) בתלות במתח Vds אך גם במידת האינוורסיה שתלויה במתח Vgs (מתח השער). ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מ ה־source אל התעלה, האינוורסיה גדלה, ההתנגדות קטנה ויכולה לאפשר זרם גדול יותר. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד בין המקור לשפך Drain to Source, והוא שימושי בעיקר למיתוג וניתוב של אותות חשמליים.
 רוויה (saturation) - כאשר Vds גדול מ-Vgs-Vt, הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד. מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה. הזרם לא יגדל כמעט עם הגדלת Vds. כדי להגדיל את הזרם יש לחזק את האינוורסיה על ידי הגדלת Vgs, במצב זה ההתקן משמש מקור זרם מבוקר מתח־שער למגבר.

טרנזיסטור BJT 

טרנזיסטור Bipolar Junction Transistor - BJT (בקיצור טרנזיסטור ביפולרי או דו־קוטבי) הוא התקן בעל שלושה הדקים. זרם חשמלי המוזן לבסיס (Base) מווסת את הזרם בין הפולט (Emitter) לקולט (Collector).

האנלוגיה לפעולת טרנזיסטור ביפולרי הוא הפעלת שסתום המווסת זרימה של מים בצינור. כוח קטן אשר מופעל על השסתום - זרם הבסיס - פותח פתח ומאפשר זרימת זרם חזק מאוד - זרם מהקולט לפולט. השימוש העיקרי בטרנזיסטור ביפולרי הוא להגברה - זרם קטן המוזרם לבסיס גורם לזרימת זרם גדול יותר, וכך אות חלש מוגבר לאות חזק יותר.

לטרנזיסטור ביפולרי יש גם כן שלושה מצבי פעולה, התלויים בזרמים המפעילים אותו:
 נתק (cutoff) - במצב זה לא זורם זרם בסיס משמעותי ולכן אין גם זרם מהקולט לפולט.
 פעיל - במצב זה, הזרם בין הקולט לפולט הוא פרופורציונלי (בערך) לזרם הבסיס אבל גדול הרבה יותר. במצב זה הטרנזיסטור בעצם מגביר באופן כמעט ליניארי. באופן עקרוני ניתן להפעיל את הטרנזיסטור בכיוון ההפוך, אם נחבר את הטרנזיסטור באופן הפוך במעגל, הקולט והפולט פשוט יחליפו תפקידים. אולם הטרנזיסטור אינו סימטרי ותוכנן לעבוד באופן מסוים, היפוך הקולט והפולט יביאו לירידה בביצועיו. מצב פעיל בו הטרנזיסטור מחובר כשורה נקרא מצב פעיל קדמי, המצב השני נקרא מצב פעיל אחורי.
 רוויה (saturation) - טרנזיסטור נכנס למצב זה כאשר זרם הבסיס נהיה גדול מספיק והזרם בין הקולט לפולט לא יכול לגדול עוד.

טרנזיסטורים אחרים 

ישנם סוגים אחרים של טרנזיסטורים, אלה הם בעיקר וריאציות של שני הטרנזיסטורים שתוארו לעיל. ביניהם:
 Junction FET - JFET, סוג נוסף של מגבר אפקט שדה. בטרנזיסטור מסוג זה, השער יוצר מוליך למחצה עם התעלה. הוא מיוצר בטכנולוגיית depletion ולפיכך טרנזיסטור זה מאפשר מעבר זרם כל עוד לא הופעל מתח על השער. יתרונו של טרנזיסטור זה על פני טרנזיסטור הצומת הביפולרי נעוץ בכך שהבקרה נעשית על ידי מתח ואין זרם בקרה. מצד שני, הם מציגים הגבר נחות.
 High Electron Mobility Transistor - HEMT, נקרא גם heterostructure FET) HFET) טרנזיסטור חדש יחסית אשר בו משתמשים בצומת העשוי מחומרים שונים, בהשוואה לשאר הטרנזיסטורים שבהם משתמשים בצומת העשוי מחומר אחד המאולח באופן שונה. שימוש בצומת בין אלומיניום־גליום־ארסניד (AlGaAs) וגליום ארסניד (GaAs) יוצר התקן בעל התנגדות נמוכה מאוד (ניידות גבוהה של האלקטרונים) ולכן גם מהיר מאוד. ז'ורס אלפרוב והרברט קרמר קיבלו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2000 (יחד עם ג'ק קילבי), בגין תגליותיהם בתחום זה.
 Heterojunction Bipolar Transistor - HBT, טרנזיסטור ביפולרי בעל צומת מעורב. בטרנזיסטור זה הפולט עשוי מחומר בעל פער אנרגיה רחב, ואילו הבסיס עשוי מחומר אחר, בעל פער אנרגיה צר יותר. הדבר מאפשר להגדיל את אילוח הבסיס, ולהגדיל בכך את מהירות הטרנזיסטור. טרנזיסטורי HBT העשויים ממערכת החומרים אינדיום פוספיד (InP) וגליום אינדיום ארסניד (GaInAs) הם המהירים ביותר כיום. טרנזיסטורי HBT העשויים מסגסוגת סיליקון גרמניום (SiGe) מהירים מעט פחות, אבל ניתן לשלבם עם מעגלי CMOS רגילים, המיוצרים על פיסות סיליקון.

שימושים וטכנולוגיות 
הטרנזיסטור הוא רכיב מפתח בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית. חשיבותו של הטרנזיסטור נובעת מן היתרונות המשמעותיים אשר מציע הטרנזיסטור לעומת שפופרת ריק - גודל זעיר, אמינות גבוהה, צריכת הספק נמוכה והאפשרות לייצר בזול רכיבים המכילים מספרים עצומים של טרנזיסטורים וחיבורים ביניהם. 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 הבסיס לכל הציוד האלקטרוני המודרני, בעיקר במחשבים (מעבד מודרני מכיל מיליארדי טרנזיסטורים), ציוד תקשורת, ורכיבי זיכרון (כגון Flash Disk).

מימוש שערים לוגיים 

ישנן טכנולוגיות רבות ליצירת שערים לוגיים מטרנזיסטורים, אך הנפוצה ביניהן היא טכנולוגיית ה־CMOS. בטכנולוגיה זו משתמשים בשילוב של שני סוגי הטרנזיסטור (NMOS ו־PMOS) למימוש שערים לוגיים. המעגל המתואר בתרשים מממש מהפך (פעולת NOT). המעגל מורכב מטרנזיסטור PMOS (למעלה), טרנזיסטור NMOS (למטה), מקור מתח גבוה Vdd (למעלה) ומקור מתח נמוך Vss (למטה). בגלל המבנה שלהם, טרנזיסטורי PMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח שלילי יחסית ל־Vdd (שמושך חורים) ואילו טרנזיסטורי NMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח חיובי יחסית ל־Vss. המעגל מבצע פעולת היפוך:
 כאשר המתח בשערי הטרנזיסטורים הוא נמוך (0 לוגי), טרנזיסטור ה־NMOS הנמצא למטה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור ה־PMOS מעביר זרם ומחבר את המוצא אל מקור המתח הגבוה.
 כאשר המתח בשערי הטרנזיסטורים הוא גבוה (1 לוגי), טרנזיסטור ה־PMOS הנמצא למעלה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור ה־NMOS מעביר זרם ומחבר את המוצא אל מקור המתח הנמוך.
השם CMOS מתייחס לצורת בניית השערים אך גם לטכנולוגיית הייצור. עם תחילת הייצור של מעגלים משולבים בשנות ה-70 לטכנולוגיה זו היו מגבלות אולם אמינות הייצור שלה השתפרה ויתרונותיה רבים, כגון צריכת הספק נמוכה במצב סטטי (כאשר האותות אינם משתנים), וקלות התכנון בה איפשרו את מהפכת המידע של העשורים האחרונים. כיום כמעט כל הייצור של רכיבים לוגיים מבוצע ב-CMOS.

מימוש מגברים

מראת זרם

טרנזיסטורים כתחליף לשפופרות ריק 
לפני הטרנזיסטור מילאו שפופרות הריק את תפקיד המגברים. לטרנזיסטורים יתרונות רבים שאיפשרו להחליף את השפופרות כמעט בכל התפקידים:
מידות קטנות - למרות הקטנת שפופרות הריק, טרנזיסטורים היו קטנים בהרבה מהשפופרות מתחילת השימוש בהם. כיום, מידות הטרנזיסטורים נמדדות במיקרונים.
היעדר נימת להט ולכן פיזור הספק נמוך יותר. הפעלת שפופרת ריק דרשה זרם חשמלי מתמיד דרך נימת הלהט על מנת לפלוט אלקטרונים.
הפעלה מיידית ללא צורך בחימום התחלתי, ואמינות גבוהה בהרבה (שפופרות יכולות להישרף לאחר מספר מסוים של הפעלות וכיבויים - בעיה שלא קיימת בטרנזיסטור).
עמידות גבוהה יותר לתנאי סביבה. זאת אף על פי ששפופרות עמידות יותר לפולס אלקטרו מגנטי (EMP).
ייצור המוני המאפשר מחיר כמעט אפסי לכל יחידה, ויכולת בניית מעגלים משולבים
מתחי עבודה נמוכים יותר ההולכים וקטנים ככל שהטכנולוגיה מתקדמת והטרנזיסטורים נעשים קטנים יותר.

שפופרות ריק נמצאות עדיין בשימוש ביישומים שונים אם כי תפוצתן נמוכה מאוד. במגברי שמע מסוימים משתמשים במגברים מבוססי שפופרות. לעיתים נטען כי תכנון כזה מפיק צלילים נעימים יותר לאוזן, אולם טענה זו אינה נתמכת בתאוריה או במדידות. שפופרות ריק משמשות פיזיקאים במהלך ניסויים מסוימים, בגלל יכולתן לעמוד בשינויי עומס גדולים יותר. בנוסף, השפופרות עדיין משמשות במגברים שבהם יש צורך בהספק יציאה גבוה, לדוגמה בתחנות מכ"ם ורדיו.

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 (בעיקר קבלים וסלילים). 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. בשנת 2005, סטודנטים ופרופסורים באוניברסיטת אלברטה יצרו טרנזיסטור המורכב ממולקולה יחידה. קיימים גם ניסיונות למצוא חומרים ביולוגיים שיתפקדו כטרנזיסטורים.

קישורים חיצוניים 

 ספר מקיף על התקני מוליכים למחצה - באנגלית
 מידע היסטורי על טרנזיסטורים - באנגלית
 ההיסטוריה של גילוי הטרנזיסטור - באנגלית
 How Does a Transistor Work? סרטון הסבר בשפה האנגלית הממחיש את פעולת הטרנזיסטור

הערות שוליים

רכיבים אלקטרוניים
ארצות הברית: המצאות