טרנזיסטור

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

טרנזיסטור 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. משמעות המונח טרנזיסטור הוא נגד משתנה (טרנס – תחילית של מעבר, רזיסטור - נגד), אך מונח זה מטעה במקצת. הטרנזיסטור הינו רכיב המפתח 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, לייצוב מתח ולאיפנון.

טרנזיסטור היה גם השם הנפוץ בשנות השישים לרדיו טרנזיסטור, מכשיר רדיו זעיר נייד, שהשתמש בטרנזיסטורים (במקום בשפופרות ריק) כרכיבים האלקטרוניים הפעילים. זוהי עדיין אחת מההגדרות המילוניות לטרנזיסטור.

תוכן עניינים 1 היסטוריה 2 רקע תיאורטי 3 סוגים של טרנזיסטורים 3.1 טרנזיסטור MOSFET 3.2 טרנזיסטור BJT 3.3 טרנזיסטורים אחרים 4 שימושים וטכנולוגיות 4.1 מימוש שערים לוגיים 5 טרנזיסטורים ושפופרות ריק 6 התפתחויות צפויות 7 קישורים חיצוניים

[עריכה] היסטוריה

שפופרות הריק הציגו יכולות חדשות לעולם האלקטרוניקה ופיתחו אותו רבות. 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 קוונטים, אשר הצביעו על הפוטנציאל הגלום 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 ברטיין, 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) ומכשירי רדיו ניידים (1954). ב-1953 הופיע ה-CK722, הטרנזיטור 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, וטכנולוגית ה-CMOS בשנת 1967. מגמת מיזעור הרכיבים קיימת עד היום, בד בבד עם הגידול העצום בשימוש בטרנזיסטורים המנובא על ידי חוק מור.

הטרנזיסטור, הנחשב לדעת רבים כאחת ההמצאות החשובות בהיסטוריה, הינו רכיב מפתח בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית. חשיבותו של הטרנזיסטור נובעת מן היתרונות המשמעותיים אשר מציע הטרנזיסטור לעומת שפופרת ריק - גודל, אמינות, צריכת הספק 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 מליוני 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 מליוני טרנזיסטורים), אך גם בכלי רכב, מכונות כביסה ומכשירים רבים אחרים.

[עריכה] רקע תיאורטי

ערך מורחב – מוליך למחצה

חומר מוליך למחצה, הוא חומר שמוליכותו נמוכה יחסית לחומרים מוליכים, אך גבוהה יותר מזו של חומרים מבודדים. למעשה, גביש טהור של מוליך למחצה הוא בעל תכונות הולכה גרועות למדי. מאידך, המבנה הכימי של גבישים מוליכים למחצה מאפשר, על ידי הכנסת 'זיהום' בכמות קטנה, ליצור אוכלוסייה של נושאי מטען בחומר, ולשפר בצורה משמעותית את תכונות ההולכה של החומר.

ה'זיהום' המדובר הוא לא יותר מאשר אטומים של יסוד אחר מעמודה סמוכה בטבלה מחזורית לזו של המוליך למחצה. בהתאם לסוג החומר המזהם, יהיו נושאי המטען בחומר שליליים (אלקטרונים) או חיוביים (הנקראים לעתים 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.

[עריכה] סוגים של טרנזיסטורים

[עריכה] טרנזיסטור MOSFET

ערך מורחב – טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET או בקיצור MOS - הינו ההטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, ומשמש בעיקר במעגלים לוגיים. שמו נגזר מאופן פעולתו - שדה חשמלי יוצר תעלה, בה קיים ריכוז גבוה של נושאי מטען, ולכן יכול לזרום בה זרם חשמלי. הטרנזיסטור מתפקד כמתג נשלט מתח - הפעלת מתח (שדה חשמלי) מאפשרת זרימת זרם דרכו - וזה השימוש העיקרי שלו. ככל שאורך התעלה יהיה קטן יותר, כך תקטן התנגדות הטרנזיסטור, והוא יוכל להתמתג (לעבור ממצב של נתק למצב של העברת זרם) מהר יותר. 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, ואורך התעלה (במיקרונים) משמש לעתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של מיקרו-מעבדים. אורכי התעלה ירדו מסדר גודל של עשרות בודדות של מיקרונים לפחות ממיקרון אחד.

הטרנזיסטור בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח מסוים - הנקרא מצע (Bulk). על 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 מהווה תחמוצת סיליקון מבודד טוב.

נניח שהמצע 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 שלילי על השער, יווצר שדה חשמלי, שימשוך אלקטרונים מהמצע לעבר השער (הסבר מפורט ניתן למצוא בעיקרון הפעולה של קבל). כך תיווצר שכבת אלקטרונים, שנקראת שכבת אינברסיה (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 נפעיל 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.

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 אינברסיה, ולכן לא יכול לזרום זרם מהמקור לשפך. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) עיי דיפוזיה כתלות במתחים Vds,Vgs.
• לינארי - כאשר המתח על השער גבוה ממתח הסף, נוצרת שכבת אינברסיה, והטרנזיסטור מעביר זרם (עיי סחיפה) בתלות במתח Vds אך גם במידת האינברסיה שתלויה במתח Vgs (מתח השער). ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מ הsource אל התעלה , האינברסיה גדלה, ההתנגדות קטנה ויכולה לאפשר זרם גדול יותר. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד בין המקור לשער,מצב זה שימושי בעיקר למיתוג וניתוב של אותות חשמליים.
• רוויה (saturation) - כאשר Vds גדול מ Vgs-Vt , הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד. מהירות תנועת החלקיקים בטרנזיסטור הגיעה לרוויה. הזרם לא יגדל כמעט עם הגדלת Vds. כדי להגדיל את הזרם יש לחזק את האינברסיה על ידי הגדלת Vgs, במצב זה ההתקן משמש מקור זרם מבוקר מתח -בסיס למגבר.

[עריכה] טרנזיסטור BJT

ערך מורחב – טרנזיסטור BJT

טרנזיסטור Bipolar Junction Transistor - BJT (בקיצור טרנזיסטור ביפולרי) הוא התקן בעל שלושה מבואות. 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. כח קטן אשר מופעל על השסתום - זרם הבסיס - פותח פתח ומאפשר זרימת זרם חזק מאוד - זרם מהקולט לפולט. השימוש העיקרי בטרנזיסטור ביפולרי הנו להגברה, הזרם הקטן המוזרם לבסיס גורם לזרימת זרם גדול יותר "בעל צורה זהה".

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 לינארי. באופן עקרוני ניתן להפעיל את הטרנזיסטור בכיוון ההפוך, אם נחבר את הטרזניסטור 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 קידמי, 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.

[עריכה] טרנזיסטורים אחרים

ישנם סוגים אחרים של טרנזיסטורים, אלה הם בעיקר וראיציות של שתי הטרנזיסטורים שתוארו לעיל. ביניהם:

• Junction FET - JFET, מגבר אפקט שדה פשוט יותר מהMOS. 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 משתמש בצומת של חומרים שונים, בהשווה לשאר אשר מתמשים בצמת של חומר זהה המאולח באופן שונה. צמת בין אלומיניום-גליום-ארסניד (AlGaAs) וגליום ארסניד (GaAs) יוצר התקן בעל התנגדות נמוכה מאוד (ניידות גבוה של האלקטרונים) ולכן גם מהיר מאד.

[עריכה] שימושים וטכנולוגיות

[עריכה] מימוש שערים לוגיים

ערך מורחב – יצירת שערים לוגיים

ישנן טכנולוגיות רבות ליצירת שערים לוגיים מטרנזיסטורים, כדוגמת טכנולוגית הCMOS. בעזרת שילוב של שני סוגי הטרנזיסטור (NMOS וPMOS) ניתן לבנות שערים לוגיים, המעגל הנתון 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 לVdd (שמושך חורים) ואילו טרנזיסטור NMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח חיובי יחסית לVss. המעגל מבצע פעולת היפוך לוגית, כלומר אם הכניסה A נמצאת במתח גבוה (משמע 1 לוגי), המוצא יהיה במתח נמוך (משמע 0 לוגי) ולהפך. שני המצבים הם לכן:

• A הוא 0 לוגי - במצב זה המתח בשערי הטרנזיסטורים הוא נמוך. טרנזיסטור הNMOS הנמצא למטה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור הPMOS מעביר זרם ומחבר את המוצא אל מקור המתח הגבוה.
• A הוא 1 לוגי - במצב זה המתח בשערי הטרנזיסטורים הוא גבוה. טרנזיסטור הPMOS הנמצא למעלה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור הNMOS מעביר זרם ומחבר את המוצא אל מקור המתח הנמוך.

לטכנולוגיה זו יתרונות רבים (כגון צריכת הספק סטטי נמוכה ) . השם מתייחס לצורת בניית השערים אך גם לטכנולוגיה הייצור. אמינות הייצור של טכנולוגיה זו וקלות התכנון בה ,איפשרו את מהפכת המידע של שני העשורים האחרונים. כיום (2006) כ 95% מסך הייצור והתכנון בתחום ה מוליכים למחצה משתמש באחד מדורות הCmos

[עריכה] טרנזיסטורים ושפופרות ריק

לפני הטרנזיסטור מילאו שפופרות הריק (thermionic valve) את התפקיד במגברים. לטרנזיסטורים יתרונות רבים שאיפשרו להחליף את קודמיהם כמעט בכל התפקידים:

• מידות קטנות - למרות הקטנת שפופרות הריק, טרנזיסטורים היו קטנים בהרבה מהשפופרות מתחילת השימוש בהם. כיום, מידות הטרנזיסטורים נמדדות במיקרונים.
• ייצור המוני המאפשר מחיר אפסי כמעט פר יחידה. מעבדי איטניום של אינטל מכילים למעלה מ200 מיליון טרנזיסטורים.
• מתחי עבודה נמוכים יותר ההולכים וקטנים ככל שהטכנולוגיה מתקדמת והטרנזיסטורים נהיים קטנים יותר.
• היעדר נימת להט ולכן פיזור הספק נמוך יותר. הפעלת שפופרת ריק דרשה זרם חשמלי מתמיד דרך נימת הלהט על מנת לחמם אותה.
• עמידות גבוהה יותר ברוב ההקשרים. זאת למרות שמספר שפופרות עמידות יותר לפולס אלקטרו מגנטי (EMP).
• הטרנזיסטור מייצר פחות רעשים ,יותר לינארי - יוצר פחות עוותים במידע.

למרות כל אלה, עדיין משתמשים שפופרות ריק במגברי שמע "איכותיים" (בעיקר למטרת רווח לחנויות שמוכרות שפורפרות). שפופרות ריק גם משמשות פיזיקאים במהלך ניסוייהם, בגלל יכולתן לעמוד בשינויי עומס גדולים יותר. בנוסף, השפופרות עדיין משמשות כמגברים בתדרי רדיו כאשר יש צורך בהספק יציאה גבוהה,לדוגמה בתחנות מכ"מ ורדיו.

[עריכה] התפתחויות צפויות

הדור השני של המחשבים שהגיע בשלהי 1950 ו-1960 הכיל לוחות המלאים בטרנזיסטורים בודדים וליבות מגנטיות. התפתחות טכנולוגית המעגל המשולב איפשרה יצירה של מעגל אחד 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. נסיונות למצוא חומרים ביולוגיים שיתפקדו כטרנזיסטורים מתקיימים גם כן.

[עריכה] קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: טרנזיסטור
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: טרנזיסטורים

• תמונה של הטרנזיטור הראשון
• ספר מקיף על התקני מוליכים למחצה - באנגלית
• מידע היסטורי על טרנזיסטורים - באנגלית
• ההיסטוריה של גילוי הטרנזיסטור - באנגלית
• כתבות בנושא הטרנזיסטור העשוי מולקולה אחת כאן וכאן

חשמל
מושגי יסוד	שדה חשמלי | מתח חשמלי | זרם חשמלי | התנגדות ומוליכות | עכבה | הספק | קיבול חשמלי | השראות | זרם ישר | זרם חילופין | חוק אוהם | מעגל חשמלי
רכיבים בסיסים	מוליך | מבודד | מקור מתח | מקור זרם | סוללה | נגד | קבל | משרן | שנאי | מתג
מכשירי מדידה	אוסצילוסקופ | אמפרמטר | אוהם-מטר | גלוונומטר | וולטמטר | רב מודד | מגר | מד השראות | מד קיבול
אלקטרוניקה	מוליך למחצה | דיודה | טרנזיסטור | טריודה | מעגל משולב | מעגל מודפס | שפופרת ריק | מיקרואלקטרוניקה
יחידות מידה	וולט | אמפר | פאראד | אוהם | ואט | קולון | הנרי | סימנס
זרם חזק	גנרטור חשמלי | מנוע חשמלי | תחנת כוח | מערכת חלוקה
בטיחות בחשמל	התחשמלות | לוח חשמל | ממסר פחת | הארקה | קצר חשמלי