בפוסט הנוכחי נסביר כיצד משתמשים במוליכים למחצה כדי לייצר התקנים שנקראים דיודות (Diodes), ואיך כל זה קשור להתקנים חשמליים.

בפוסט הראשון בסדרה ציינו כי מחשבים משתמשים ברכיבים אלקטרוניים הנקראים "טרנזיסטורים" כדי לבצע פעולות חישוב. בפוסט הנוכחי נתעמק קצת יותר בהתקנים אלו, ונסביר על הקשר שלהם לחצאי מוליכים.

כדי להבין את תפקידם של הטרנזיסטורים, נדמיין כל פעולה שהמחשב מבצע כמעין מכונה המבוססת על גלגלי שיניים. המכונה מקבלת קלט, ונותנת תוצאה (פלט). בכדי שהמכונה תעבוד, גלגלי השיניים שלה מסובבים זה את זה בכל פעולה. במעגלים חשמליים, המצב דומה וכל טרנזיסטור שקול לגלגל שיניים. על מנת לבצע פעולת חישוב, צריך שכל טרנזיסטור ישפיע על הזרם שהטרנזיסטורים האחרים מוליכים. במילים אחרות, צריך שהזרם שטרנזיסטור מוציא ישנה את ההולכה של הטרנזיסטורים האחרים. בשני הפוסטים הקרובים נסביר כיצד משיגים תוצאה זו. בפוסט הנוכחי נסביר מהן דיודות, ובפוסט הבא נסביר כיצד משתמשים בהן לבניית טרנזיסטורים.

דיודה היא התקן שמוליך זרם רק בכיוון אחד, ותכונות ההולכה שלו נשלטות מבחוץ. הרעיון להתקן כזה עלה במאה ה-19 ללא קשר למוליכים למחצה. בשנת 1873 גילה המדען האנגלי פרדריק גוטרי (Frederick Guthrie) שפלטת מתכת חמה תגרום לפריקה של מאגר מטען חיובי, אך לא של מטען שלילי [1]. הסיבה לכך היא שפלטת המתכת החמה פולטת אלקטרונים שמאזנים רק מטען חיובי.

דיודה מודרנית מבוססת על עיקרון דומה. היא בנויה משני מוליכים למחצה מסוגים שונים המצומדים זה לזה - סוג N (שלילי) שבו עודף של אלקטרונים וסוג P (חיובי) שבו חוסר שלהם. כאשר מחברים את שני חלקי הדיודה, עודף המטען השלילי גורם לכך שאלקטרונים עוברים לצד החיובי. זהו מצב מעניין שבו הדיודה נייטרלית מבחינה חשמלית, אך במרכזה נוצר ריכוז אלקטרונים שמונע מאלקטרונים נוספים לעבור (האלקטרונים דוחים זה את זה) מהצד ה-P ל-N. לעומתם, חורים יכולים לעבור רק מהצד ה-N ל-P.

כאשר מחברים את הצד השלילי של הדיודה למתח חיובי, המחסום בצומת גדל ואלקטרונים יעברו מהצד החיובי לשלילי. לעומת זאת, כאשר מחברים את אותו הצד למתח שלילי, אלקטרונים יעברו בכיוון ההפוך, והדיודה תוליך. לכן דיודה מעבירה זרם רק בכיוון אחד. במונחי הפוסטים הקודמים, לדיודה יש פסי אנרגיה שמאוכלסים על ידי האלקטרונים וקובעים אילו זרמים יעברו דרכה. בכדי לעבור בכיוון השני, האלקטרונים צריכים להתגבר על מחסום האנרגיה בין שני סוגי המל"מ שמרכיבים את הדיודה. 

אז איך שולטים בתכונות ההולכה של דיודות? עיקר השליטה נמצאת בשינוי הכמות וההתפלגות של החומרים שמזהמים את המוליכים למחצה שמהם הן עשויות. עם זאת, פעמים רבות מוסיפים גם שכבה אמצעית אינטרינזית לצרכים שונים. מדיודות המחוברות לאלקטרודות, ניתן לבנות "טרנזיסטור", שממנו בנויות יחידות החישוב הבסיסית במחשבים מודרניים. כל פעולת חישוב בנויה מטרנזיסטורים רבים המחוברים זה לזה ומשנים את תכונת ההולכה אחד של השני, באופן השקול לגלגלי השיניים של מכונה.

בפוסט הבא, והאחרון בסדרה, נסביר עוד על טרנזיסטורים ועל תפקידם במיחשוב המודרני.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] על פרדריק גוטרי

[2] על דיודה תרמיונית

[3] על שפופרת הוואקום

[4] על הגבישים של בראון

[5] על הדיודה