טרנזיסטור

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
טרנזיסטורים
סימול טרנזיסטורים במעגל חשמלי

טרנזיסטוראנגלית: transistor) הוא רכיב אלקטרוני פסיבי 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 הינו 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 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) 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, וטכנולוגית ה-CMOS בשנת 1967. מגמת מיזעור הרכיבים קיימת עד היום, ורמת המיזעור מוכפלת כל כשנתיים על פי חוק מור.

רקע תאורטי[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מוליך למחצה

חומר מוליך למחצה, הוא חומר בעל מוליכות חשמלית 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 המחזורית 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.

סוגים של טרנזיסטורים[עריכת קוד מקור | עריכה]

טרנזיסטור MOSFET[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – טרנזיסטור MOSFET
חתך של טרנזיסטור MOS

טרנזיסטור Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET או בקיצור MOS, 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. התאוריה של טרנזיטורי MOS פותחה בשנות ה-30 כפועל יוצא משפופרת הריק טריודה, אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה לא הייתה קיימת אז. הטרנזיסטור מתפקד כמקור זרם תלוי 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 ומשמש לעתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של המעגל משולב. אורכי התעלה ירדו מסדר גודל של עשרות בודדות של מיקרונים לעשרות ננומטרים.

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.

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 בעיקרון 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 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. טרנזיסטור סוג N נמוך יותר בהתנגדות התעלה מזה של סוג P עקב הבדלי ניידות אלקטרונים כנגד חורים.

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.
  • לינארי - 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – טרנזיסטור BJT
מבנה מפושט של טרנזיסטור ביפולרי הוא סנדויצ' של חומרים מוליכים למחצה בעלי סימום שונה, כאן NPN

טרנזיסטור Bipolar Junction Transistor - BJT (בקיצור טרנזיסטור ביפולרי או דו-קוטבי) 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 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 מאד. 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 האמיטר עשוי מחומר בעל פער אנרגיה רחב, ואילו הבסיס עשוי מחומר אחר, בעל פער אנרגיה צר יותר. הדבר מאפשר להגדיל את ריכוז הסיגים בבסיס, 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 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.

מימוש שערים לוגיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מימוש מהפך, שער NOT, בטכנלוגיית CMOS

ישנן טכנולוגיות רבות ליצירת שערים לוגיים מטרנזיסטורים, כדוגמת טכנולוגית ה-CMOS. בעזרת שילוב של שני סוגי הטרנזיסטור (NMOS ו-PMOS) 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 ל-Vdd (שמושך חורים) ואילו טרנזיסטור NMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח חיובי יחסית ל-Vss. 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 ה-NMOS הנמצא למטה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור ה-PMOS מעביר זרם ומחבר את המוצא אל מקור המתח הגבוה.
  • A הוא 1 לוגי - במצב זה המתח בשערי הטרנזיסטורים הוא גבוה. טרנזיסטור ה-PMOS הנמצא למעלה קטוע ולא מעביר זרם. טרנזיסטור ה-NMOS 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 לטכנולוגיית הייצור. אמינות הייצור של טכנולוגיה זו וקלות התכנון בה, איפשרו את מהפכת המידע של שני העשורים האחרונים. נכון ל-2006, כ-95% מסך הייצור והתכנון בתחום המוליכים למחצה משתמש באחד מדורות ה-CMOS.


טרנזיסטורים ושפופרות ריק[עריכת קוד מקור | עריכה]

לפני הטרנזיסטור מילאו שפופרות הריק את תפקיד המגברים. 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 מ-200 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 ופחות עיוותים הרמוניים.

שפופרות ריק נמצאות עדיין בשימוש ביישומים שונים אם כי תפוצתן נמוכה מאוד. במגברי שמע מסוימים משתמשים במגברים מבוססי שפופרות. לעתים נטען כי תכנון כזה מפיק צלילים נעימים יותר לאוזן. שפופרות ריק 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"ם ורדיו.

התפתחויות צפויות[עריכת קוד מקור | עריכה]

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. נסיונות למצוא חומרים ביולוגיים שיתפקדו כטרנזיסטורים מתקיימים גם כן.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]