למה מיועדים טרנזיסטורים: אילו סוגים וסוגים קיימים, תחומי יישום

כדי להבין למה מיועד טרנזיסטור, האנלוגיה הבאה תעזור בצורה הטובה ביותר: אם תא קטן הוא לבנה באורגניזם חי, אז טרנזיסטור הוא לבנה במהפכה הדיגיטלית. בלעדיה, כל הניסים הטכנולוגיים שאנו משתמשים בהם מדי יום (טלפונים ניידים, מחשבים, מכוניות) יהיו שונים באופן משמעותי מאלה המודרניים, או אפילו לא היו קיימים כלל.

סקירה היסטורית

לפני שהומצאו אלמנטים מוליכים למחצה של מעגלים חשמליים, מעצבים השתמשו בצינורות ואקום ובמתגים מכניים לאותן מטרות. המנורות היו רחוקות מלהיות אידיאליות. הם היו צריכים להתחמם לפני תחילת העבודה, הם לא יכלו להתפאר באמינות, חוסר אמינות וקומפקטיות, הם צרכו יותר מדי אנרגיה. כל מכשירי החשמל, מטלוויזיות ועד מחשבים מוקדמים, התבססו עליהם.

לאחר מלחמת העולם השנייה, מדענים חיפשו באופן פעיל אלטרנטיבה למנורות ומצאו את התשובה בעבודותיו של יוליוס לילינפלד בסוף שנות ה-20. הפיזיקאי הפולני-אמריקאי הזה הגיש פטנט על מכשיר בן שלוש אלקטרודות העשוי מגופרית נחושת. למרבה הצער, אין ראיות לכך שהוא אכן יצר מכשיר עובד. אבל המחקר שלו עזר ליצור את מה שנקרא היום טרנזיסטור אפקט שדה.

עשרים שנה אחרי לילינפלד, בל היה זקוק מאוד למשהו טוב יותר מאשר מנורות עבור מערכות התקשורת שלהם. היא אספה צוות כוכבים של מוחות מדעיים כדי לעבוד על חקר תחליפים לאלמנטים ואקום, הקבוצה כללה:

• ג'ון ברדין;
• וולטר ברטן;
• וויליאם שוקלי.

ב-1947, שוקלי היה מנהל חקר הטרנזיסטורים בבל, בראטן היה סמכות בפיזיקה של מצב מוצק, וברדין היה מהנדס חשמל ופיזיקאי. הם התנסו בהצלחה עם גרמניום במשך שנה, וזמן קצר לאחר מכן, שוקלי חידד את רעיונותיהם על ידי פיתוח צומת טרנזיסטור. בשנה שלאחר מכן, בל הודיעה לעולם שהיא המציאה שלישיית מוליכים למחצה פועלת. בשנת 1956, צוות מדענים קיבל את פרס נובל לפיזיקה על תגלית זו.

הבנת קנה המידה של ההמצאה ומדוע יש צורך בטרנזיסטורים בלתי אפשרי מבלי להבין זאת עובדה: המכשירים הקטנים האלה עשו את אחת הקפיצות הטכנולוגיות הגדולות קדימה אֶנוֹשִׁיוּת. וזו לא הגזמה – הם באמת שינו את מהלך ההיסטוריה.

תכנית עבודה פשוטה

טרנזיסטורים הם מכשירים השולטים בתנועת אלקטרונים, ולכן זרם חשמלי. כדי להבין מה עושה טרנזיסטור, האנלוגיה עם ברז מים וזרימת נוזלים היא המתאימה ביותר, אבל, ב שלא כמו האחרונים, הם לא רק יכולים לעבור או לחסום את הזרימה, אלא גם מסוגלים לשלוט בה מספר. השימוש בטרנזיסטורים הוא רחב ביותר והוא מבוסס על העובדה שכרכיב אלקטרוני הוא יכול לבצע שתי פונקציות שונות:

1. מַגבֵּר. ביכולת זו, הוא מקבל זרמים חשמליים קטנים במסוף אחד ויוצר זרמים משמעותיים במעגל המוצא. מאפיין זה משמש באלקטרוניקה להגברת אותות, שבזכותו החליפו טרנזיסטורים טריודות צינור.
2. החלף. בהתאם לנוכחות או היעדר אות באלקטרודת הבקרה, היא מסוגלת לסגור או לפתוח את המעגל. כך פועלים שבבי מחשב. לדוגמה, שבב זיכרון מכיל מאות מיליוני או אפילו מיליארדי טרנזיסטורים, שכל אחד מהם ניתן להפעלה או כיבוי. מכיוון שכולם בסכימה נמצאים רק באחד משני מצבים, הם יכולים להיות האפוטרופוסים של מידע בינארי - אפס או אחד. שבב של מיליארדי טרנזיסטורים מסוגל לאחסן מיליארדי אפסים ואחדים.

מבנה בסיסי

מארז, בידוד, גביש מוליכים למחצה, מוביל מתכת - מזה מורכב טרנזיסטור. סימום שונה של מוליך למחצה מאפשר לך ליצור שני סוגים של המבנה שלו:

• סוג p;
• סוג n.

הקריסטל עצמו הוא כריך משני הסוגים הללו, מסודר כך ששתי שכבות זהות של הכריך מכילות שכבות הפוכות. בהתאם לשילוב שלהם, הטרנזיסטור נקרא מסוג p-n-p או n-p-n. שמות שלושת הפינים המחוברים לשכבות המתאימות משותפים לכל סוגי הדו-קוטביים והשדה טרנזיסטורים, בהתאמה, ומשקפים את מטרתם (המונחים המשמשים ביחס לאפקט שדה מצוינים בסוגריים):

• בסיס (תריס);
• אספן (ניקוז);
• פולט (מקור).

הבסיס (שער) מקבל אות בקרה חלש, וזרם אספן חזק (ממקור לניקוז) זורם בין שני הפינים האחרים. האחרון משתנה בהתאם לזרם הבסיס. כלפי חוץ, הטרנזיסטור נראה כמו רכיב רדיו-אלקטרוני עם שלושה מסופים.

סוגים וסוגים

העיתוי של המצאת הטרנזיסטורים לא היה מקרי. הגבישים שלהם דורשים חומרים מוליכים למחצה טהורים כדי לתפקד כראוי. לאחר מלחמת העולם השנייה התקדמות הטכנולוגיה בהשגת גרמניום, כמו גם התקדמות בתחום סגסוגת אפשרה להשיג חומרים המתאימים לייצור סדרתי של מוליכים למחצה מכשירים.

מאוחר יותר, נעשה שימוש בסיליקון במקום גרמניום באלקטרוניקה מסחרית. מוליכים למחצה המבוססים עליו אמינים ובמחיר סביר יותר מאשר גרמניום. סיליקון מתאים לייצור מחשבים. בשבבים, טרנזיסטורים אינם מבודדים כרכיבים נפרדים, אלא הם חלק ממה שנקרא אינטגרלי מעגל, וממוקמים על גביש מוליך למחצה יחיד יחד עם אלמנטים אחרים - קבלים ו נגדים. מכשירי סיליקון מודרניים במיקרו-שבב הם כל כך קטנים שמידותיהם נמדדות בננומטרים.

האבולוציה של חומרים לייצור מכשירים אלה אינה עומדת במקום. הודות להתקדמות האחרונה, חומר הנקרא גרפן עשוי להפוך לבסיס של טריודות במאה ה-21. הוא נושא אלקטרונים הרבה יותר מהר מסיליקון, ויכול להוות בסיס לשבבי מחשב שהם בסדרי גודל יעילים יותר ממוליכים למחצה מבוססי סיליקון.

איך הם טרנזיסטורים לא מוגבל לחלוקה שלהם לפי חומר הקריסטל. ישנן שתי קבוצות גדולות השונות בשיטות הניהול:

• שדה;
• דו קוטבי.

המילה "שדה" פירושה שהשער נשלט על ידי שדה חשמלי, כלומר כדי לשנות את הזרם בין הניקוז למקור, מספיק לשנות את המתח. ובתגובות דו-קוטביות, זרם האספן מושג על ידי שינוי הזרם בבסיס. מכשירים דו-קוטביים היו בשימוש נרחב בשנות ה-60 וה-70 והם מבוקשים בזמננו. אלמנטים של מעגלים אנלוגיים בעיקר בשל העובדה שהם קלים לייצור ויש להם גדול ליניאריות. התחום כבש כמעט את כל נתח השוק של המעגלים הדיגיטליים.

ישנם סוגים אחרים של טרנזיסטורים. הם מקוטלגים לא רק לפי עקרון הפעולה, אלא גם לפי כוח, תדרי הפעלה, מבנה, יישום ואינדיקטורים אחרים. הפיתוח של מכשירים אלו נמשך מבלי להאט. לדוגמה, מדענים מדרום קוריאה יצרו לאחרונה צומת p-n העשוי ממולקולת בנזן אחת. שבבים מודרניים מייצרים הרבה חום מבוזבז. בהקשר זה, לטרנזיסטורים מולקולריים עשוי להיות עתיד גדול - הם יכולים להפוך למפתח לשיפור היעילות האנרגטית.

ללא קשר לכיוונים בהם יתבצע פיתוח הטכנולוגיות, ברור כי הודות למחקר פעיל דרכים לשפר טרנזיסטורים, מחשבים יהפכו למהירים, זולים ואמינים יותר, וטלפונים סלולריים - אפילו קלים יותר ו יותר קומפקטי. המכשירים הקטנים הללו ממשיכים לעצב מחדש את הנוף הטכנולוגי ובסופו של דבר את החברה שלנו כולה. זהו גורל נפלא למכשיר פשוט שהומצא לפני למעלה מ-60 שנה.