נסביר על טרנזיסטורים, אבני היסוד של המיחשוב המודרני, ועל האופן בו ניתן להשתמש בהם לפעולות חישוב.

מחשבים מודרניים מבצעים חישובים בעזרת רכיבים קטנים הנקראים טרנזיסטורים [1]. המיוחד בטרנזיסטורים הוא שניתן לקבוע בעזרת מתח חיצוני מתי הם יוליכו ומתי הם יחסמו זרם חשמלי, בדיוק כמו מתג. ניתן לחבר טרנזיסטורים רבים אחד לשני, כך שכל אחד מהם יקבע אם האחרים יוליכו או יחסמו זרם, ובאופן זה לבצע חישובים. כל הפעולות שמחשב מודרני מבצע, מורכבות מפעולות פשוטות של העברת וחסימת זרמים חשמליים בטרנזיסטורים [2][3]. בפוסט הנוכחי נסביר כיצד בנוי הטרנזיסטור וכיצד הוא פועל.

ישנם שני סוגים עיקריים של טרנזיסטורים, הביפולרי וה-FET. הטרנזיסטור הבי-פולרי פותח בשנת 1947 במעבדות בל [4] (בהן גם פותח הלייזר הראשון) ע"י ג'ון ברדין, ויליאם שוקלי וולטר ברטיין , פיתוח שהוביל לפרס נובל לפיזיקה (שוקלי וברדין זכו בפרס נובל נוסף בהמשך). כיצד פועל הטרנזיסטור הביפולרי?

כשמחברים שני מוליכים למחצה מסוגים הפוכים (שלילי וחיובי) נוצר באמצע שדה חשמלי שיוצר מחסום שמקשה על זרם לעבור. באופן זה מתקבלת דיודה, רכיב חשמלי שמוליך זרם בכיוון אחד בלבד [5]. באופן דומה, הטרנזיסטור מורכב משלושה מוליכים למחצה (מעין כריך של מל"מ) וכמו בדיודה, נוצר במרכזו מחסום חשמלי שעוצר את הזרם. מאחר ומוליך למחצה יכול להיות מזוהם במטענים שליליים (סוג N) או חיוביים (סוג P), לטרנזיסטור יש שתי גירסאות, הנקראות NPN ו-PNP ופועלות באופן דומה (ראו איור). כאן נכנס לפעולה המתג: כשנפעיל מתח על המל"מ שבאמצע הטרנזיסטור (הבסיס), המחסום יקטן והזרם יוכל לעבור - הטרנזיסטור מתנהג כמו מתג, כאשר המתח על הבסיס מפעיל או מכבה את מעבר הזרם.

מבנה טרנזיסטור

בשנים שלאחר המצאת הטרנזיסטור הבי-פולרי, הוא החל לתפוס מקום מרכזי יותר ויותר בעולם האלקטרוניקה. עד היום משתמשים בו במגוון רחב של אפליקציות, בעיקר בשל גודלו הקטן ואמינותו הגבוהה. כעשר שנים לאחר המצאתו של הטרנזיסטור הבי פולארי, הגיח לעולם סוג נוסף של טרנזיסטור שיוביל את המיחשוב: טרנזיסטור המוספט-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). משמעות השם היא טרנזיסטור שבו שדה חשמלי חיצוני משפיע על תכונות ההולכה. בעוד הביפולארי על ידי זרם, טרנזיסטור הMOSFET  נשלט על ידי מתח, מה שמקל מבחינה הנדסית על השימוש בו [6].

החלק המרכזי בטרנזיסטור זה הוא קבל ה-MOS, ובו נתמקד. קבל הוא התקן שאוגר מטען חשמלי ופורק אותו בשעת הצורך. קבלים פשוטים עשויים שני לוחות מתכת שביניהם חומר מבודד שחוסם את הזרם. אם הלוחות יגעו זה בזה יווצר קצר, המטענים יזרמו ביניהם והפרש המטען יהרס. קבל ה-MOS הינו קבל אשר בצידו האחד לוח מתכת שנקרא "שער", בצידו השני מוליך למחצה ובמרכזו תחמוצת, שהיא חומר מבודד. 

מוליכים למחצה יכולים להיות בעלי עודף מטענים חיוביים (סוג חיובי, או P) או שליליים (סוג שלילי, או N) ולכן קבלי MOS קיימים בשתי הגירסאות הללו. אנו נתמקד בסוג P שבו יש יותר חורים (בעלי מטען חיובי) [7] מאלקטרונים (מטען שלילי). כאשר מפעילים שדה שלילי על המתכת שבקבל, הוא מושך אלקטרונים מהמתכת וחורים מהמל"מ. בצד של המל"מ החיובי יצטברו עוד ועוד חורים, ולכן הוא ישאר מסוג חיובי וימשיך לחסום זרם. כאשר מפעילים מתח חיובי על המתכת, קורה ההיפך: צד המל"מ החיובי צובר אלקטרונים וצד המתכת השלילי צובר חורים, עד שעבור מתח גבוה מספיק, ריכוז האלקטרונים בצד החיובי כה גדול שהוא עולה על ריכוז החורים והמל"מ החיובי הופך לשלילי. המשמעות היא שבקבל MOS, שליטה במתח מאפשרת שליטה בסוג המל"מ - חיובי או שלילי. כעת נוכל להבין כיצד עובד טרנזיסטור ה-MOSFET. 

ניקח את קבל ה-MOS שלנו, ונחליף את המל"מ החיובי בשלושה מל"מים, חיובי- שלילי- חיובי, בדיוק כמו בטרנזיסטור הבי פולארי. במצב זה שכבת המל"מ אינה יכולה להוליך זרם. כאשר נפעיל מתח חזק על הבסיס בדיוק כמו קודם, המל"מ החיובי שבאמצע יהפוך לשלילי והטרנזיסטור יהפוך למוליך רגיל (שלילי-שלילי-שלילי) שלא חוסם זרם. באופן זה, גם טרנזיסטור הMOSFET משמש כמתג. ללא מתח חיצוני, הוא חוסם זרם, ותחת מתח חיצוני גבוה מספיק, הוא הופך למוליך.

לסיכום, ראינו שניתן לשלוט בטרנזיסטור בעזרת מתח חיצוני, ובאופן זה הטרנזיסטור מאפשר לשלוט בזרמים שבמעגל. בעזרת מבנה של טרנזיסטורים כאלו, אפשר לבצע חישובים מורכבים, שתוצאותיהם נקבעות על ידי המתחים היוצאים מההתקן. כך מאפשר הטרנזיסטור את המיחשוב כפי שאנו מכירים אותו. החישובים מתבצעים בעזרת שערים לוגים: יחידות קטנות המבצעות פעולות פשוטות. השער מקבל זרם חשמלי, ומוציא או לא מוציא זרם, בהתאם לפעולה שלו, כשהטרנזיסטור הוא המאפשר שליטה זו. 

מקורות וקריאה נוספת:

[1] טרנזיסטורים 

[2] דוגמה לחישובים בינאריים

[3] על ביצוע חישובים בעזרת שערים לוגיים

[4] מעבדות בל

[5] פוסט מספר 4 בסדרה

[6] MOSFET  לעומת הטרנזיסטור הבי פולארי

[7] פוסט מספר 3 בסדרה

[8] Semiconductor Device Fundamentals - Robert F. Pierret

[9] Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze, Kwok K. Ng