הרְכיב ששינה הכול

המַחשב הראשון היה בגודל ובמשקל של בית ועלה מיליוֹן דולר! ההַמצָאה שעזרה למַזעֵר אותו ולעשות אותו נָגיש לכולם חוגגת החודש 67 שנים – הטְרַנזיסְטוֹר. רויטל חליף מספרת את הסיפור שבבְסיס ההַמצָאה

כתבה: רויטל חליף, גליליאו צעיר

בכל פעם שמַשיקים אמצעי תִּקשוּב (תקשוב – תקשורת + מִחשוּב) חדש ומהללים את קוֹטנוֹ ואת משקלו הקל, עולות בדִמיוני שתי תמונות מילדותי. הראשונה – האזנה לרַדיוֹ עם סבי היקר, הישיבה המשותפת סביב מַקלֵט הרדיו הגדול והציפּייה כי “יתחמם” ויתחיל להשמיע קול; והשנייה – ביקור בבניין חברת אַיְ-בּי-אֵם (IBM) עם דוֹדי האהוב, בחדר שהיה בו אַחד המַחשבים הראשונים בישראל. בשנות השבעים של המאה הקודמת נראָה המחשב כאוסף של ארונות מַתֶּכת גדולים עם נוּרוֹת רבות, ובעיקר היה קר מאוד באותו חדר! דודי הסביר לי שהמחשב מתחמם, ולכן חייבים לשמור על טֶמפּרטוּרת סביבה נמוכה כדי שיפעל כראוי.

הבּאג הראשון

המשותף לשני מכשירים אלה היה שהמעגלים האלקטרוניים שלהם התבּססו על רכיב שנקרא שפוֹפרת רִיק. לרכיב זה היו שני שימושים עיקריים – כמַגבֵּר לזרם חשמלי וכמַפסֵק חד-כּיווּני, שמעביר זרם לכיוון אחד בלבד. שפופרות ריק שובצו כמעט בכל מכשיר אלקטרוני באותה תקופה, והיה להן תפקיד מרכזי בהתפתחות האֵלֶקטרוֹניקה. שפופרת כזו נראתה כמַבחנת זְכוכית הפוכה ובתוכה חוטים ומגעים חשמליים. חסרונותיה היו בּרוּרים לעין – גודל עצום (יחסית ליוֹרשיה בימינו), אורך חיים קצר בגלל בְּלאי והרס, צריכת אנרגִייָה גבוהה, והחום הרב שיצרה.

עולם התקשוב המשיך להתפתח, אבל השימוש בשפופרת הריק היה מִכשוֹל מרכזי להאצה. תחשבו על זה שהמחשב המִסחרי הראשון שקל 13 טוֹנוֹת – משקלו של בית – ועלה כמיליון דולר! אבל לא רק אלה היו החסרונות, גם האמינוּת שלו לא הייתה גבוהה. מספרים כי בשנת 1947 חיפשה חלוּצת המחשבים גרייס מארי הופר את הסיבה לתקלה במחשב שהִפעילה באוּניבֶרסיטת הארְוורד, ומצאה שחֶרק כּלשהו חדר למחשב, נשרף, והביא להתָכת שפופרות ריק סביבו. כאן לפי האגדה נולד השימוש במילה “בּאג” (חרק באנגלית) לציון תקלה במחשב.

המדענים בעולם השקיעו מאמצים רבים, עוד בתקופת מלחמת העולם השנייה, למציאת תַּחליף לשפופרות הריק. תַּקציבי עָתֵק הוּקצו לשם כך בבריטַניה ובאַרצוֹת הבְּרית. המלחמה הסתיימה בטרם נמצאה תשובה, והמחקר נמשך בעת המלחמה הקרה שהתנהלה באותה תקופה בין ארצות הברית ובין בְּרית המוֹעצוֹת והמֵרוֹץ לחלל. היה ברור כי לא יהיה אפשר להעמיס על חללית מכשיר כבד כל כך, שמתחמם, שזולל כל כך הרבה אנרגייה, ובעיקר שאינו אָמין.

הזוג המוּשלם

מעבּדות בֵּל האמריקניות, שעסקו בפיתוח טכנולוגיות מתקדמות עבור חברות תקשורת, הסתמנו כמוֹבילות בתחום. עוד בשנות מלחמת העולם השנייה התקדמו מעבדות בל בפיתוח רכיבים שמבוססים על חומרים מוֹליכים למֶחֱצָה שעוּבּדוּ עיבּוד מיוחד. לא רחוקה הייתה הדרך לרעיון השימוש בחומרים אלה כתחליף לשפופרות. עם זאת, היה צורך בקידום התֵאוֹריה הפיזיקָלית של המצב המוּצק כדי להבין את תכוּנוֹת החומרים הללו.

בצוות שהוקם במעבדות בל לפיתוח יישׂוּמיה של פיזיקת המצב המוצק היו ויליאָם שׁוֹקְלֵי, ווֹלְטר בְּרָטיין וג’ון בַּרְדין. ב-1972 זכו שלושת החוקרים בפרס נוֹבּל לפיזיקה על המצאתם, אבל הדרך לשם לֻוותה בלא מעט קולות צוֹרמים, בקִנאה ובתחרות.

זה התחיל בשנת 1945, שאז קיבל שוקלי את הניהוּל של קבוצת מֶחקר קטנה במעבדות בל. בצוות שלו היו ברדין, שכבר עבד אִתו לפני המלחמה, וברטיין. הקבוצה החלה לעבוד על מימוּש הרעיון של שוקלי: פיתוח מגבּר המבוסס על מוֹליך למחצה.
ברדין וברטיין היו זוג מוּשלם: ברדין היה פיזיקָאי תֵּאוֹרֵטי, וברטיין פיזיקאי מַעֲשׂי; ברדין היה הוֹגה רעיונות חדשים ומַציע ניסויים כדי לבדוק אותם, וברטיין המוּכשר ידע כיצד לבנות את הדגמים במעבדה ולבצע את הניסויים. השניים עבדו צמוד, ושוקלי ניהל את העניינים מרחוק וכמעט לא היה מעורב בצדדים המעשיים של המֶחקר.

עוד באמצע 1945 הציע שוקלי את ההֶתקן הקרוּי היום “טרנזיסטור תוֹצָא שׂדה”, אלא שהטכנולוגיה של אותם ימים לא אִפשרה את בנייתו. בשנתיים הראשונות הייתה ההתקדמות אִטית ומתסכֶּלת. נגיעה מִקרית ברכיב הייתה גורמת למגבר לעבוד, ותזוּזה אחרת הייתה גורמת לו להפסיק. באַחד המקרים לא עבד המגבר כלל, אבל הִתחיל לפעול דווקא כשטבלו אותו במים.
בנובמבר 1947 עלה במוחו של ברדין רעיון מהפְּכני – שיטה חדשה לייצור המגבר. כאן באו לידי ביטוי כּישוּריו המעשיים של ברטיין. הוא לקח סכּיני גילוּח, משולש עץ קטן ואֶטֶב משרדי, ובנה אב-טיפּוּס של מגבר על שולחן המעבדה. חודש מאוחר יותר, ב-16 בדצמבר 1947, הפעילו ברטיין וברדין את המגבר שלהם בפעם הראשונה: הם חיברו מיקְרוֹפון לכניסת אות הבּקרה שלו, ושמעו את קולם מוגבר היטב ברמקול שהיה מחובר ליציאת המגבר.

ברדין וברטיין לא עדכּנו את שוקלי על השינוי, והוא היה בטוח שהם עוד מנסים לפתח מגבר שמבוסס על אֵפֵקְט תוצא השדה שלו. הפעם הראשונה ששמע על כך הייתה רק לאחר שהטרנזיסטור שלהם כבר עבד. מצד אחד הוא היה מאושר לשמוע על פריצת הדרך, ומצד אחר כעס על שהשניים לא סיפרו לו על מעשיהם. הוא הרגיש מרוּמֶה, כאילו ברדין וברטיין גזלו ממנוּ את התְהילה שבהמצאת הטרנזיסטור.

ההתקן הוצג לראשונה ב-23 בדצמבר 1947. זה היה הֶתקן מסוּבּך ומסוּרבּל למדי ונקרא טרנזיסטור מגע נקודתי – מגבר זרם שעשוי מהיסוד המוליך למחצה גֶרמַניוּם.

חגיגות הניצחון

חברת מעבּדות בֵּל חגגה את הצלחתה. בפעם הראשונה היה אפשר לשלוט באמינוּת ובדיוּק על עצמת הזרם החשמלי בתוך רכיב זָעיר של מוליך למחצה, שצָרך כּמוּיוֹת זעירות של אנרגייה. זו הייתה פריצת הדרך שחיפשו כולם ותחילת הסוף של שפופרות הריק הגדולות והמסוּרבּלוֹת. החברה הוציאה הודעות לעיתונות, וצלמים הוזמנו לתעֵד את ברדין, את ברטיין ואת שוקלי רוֹכְנים מעל מכשירי המעבדה ב”צילום ניצחון”.

חברת מעבדות בל העניקה רישיונות ייצוּר של הטרנזיסטור לחֲבָרוֹת אחרות, ובתוך זמן קצר נראו ראשוני הטרנזיסטורים המִסחריים בשוּק. כך בשנות השישים של המאה העשרים היה טרנזיסטור גם השם הנפוץ לרדיו טרנזיסטור – מַקלֵט רדיו נייד, שהשתמש בטרנזיסטורים (במקום בשפופרות ריק) כרכיבים האלקטרוניים הפעילים. קודם לכן לא היה אפשר כלל לייצר מקלטי רדיו ניידים.

כיום משתמשים באלקטרוניקה ב”מעגלים משוּלבים” – רכיבים זעירים שמיוצרים בשיטות ייחוּדיוֹת על חומרים מוליכים למחצה, ובהם מיליוני טרנזיסטורים. רכיבים אלה מאפשרים את המִזעוּר של עולם המחשוב והתקשורת.
מה הלאה? חוקרים רבים בעולם מחפשים פתרונות אחרים, מחוץ לעולם המוליכים למחצה, לדוגמה מתחום הבּיוֹלוֹגיה המוֹלֵקוּלָרית – מוליכים חשמליים שעשויים ממולקולות. שם המשחק הוא גם היום – כמה שיותר קטן, אמין, מדויק וצורך פחות אנרגייה.

הידעת?
מהו מוליך למחצה? אתם ודאי מַכּירים חומרים שמוליכים זרם חשמל, וגם חומרים מבודדים שאינם מוליכים. מוליך למחצה הוא חומר שמוֹליכוּת החשמל שלו נמצאת בתחום שבין החומרים המוליכים ובין החומרים המבודדים ושמשנה את תְּכוּנת ההוֹלָכה שלו בהתאם לתנאים חיצוניים שמוּפעלים עליו – מתח חשמלי, אור, חום ועוד.

הידעת?
מדוע הטרנזיסטור נקרא בשם זה? המילה “טרנזיסטור” מורכבת מהמילים “טְרַנזישֶׁן” (Transition – משתנה) ו”רֵזיסְטוֹר” (Resistor – התנגדות), כלומר רכיב בעל התנגדוּת חשמלית משתנה.

> הכותבת היא הבעלים של מידעלע – ממידע לידע

* הכתבה פורסמה בגיליון דצמבר 2014 של גליליאו צעיר

רוצים לקרוא עוד? לקבלת מגזין גליליאו צעיר במתנה

בקרו בעמוד הפייסבוק שלנו