היסוד הנדיר והטרנזיסטור הזעיר

מחשבים מצויים בכל מקום סביבנו: החל בלפטופ או במחשב השולחני שלנו, דרך טלפונים חכמים וכלה במיקרו-מעבדים המצויים כמעט בכל מכשיר חשמלי כיום: מכוניות, מקררים ואפילו תנורי מיקרוגל. אך רק לפני 60-50 שנה מחשבים תפסו חדרים שלמים ויכולותיהם היו מצומצמות מאוד. לשינוי הזה אחראית מעל הכול המצאת הטרנזיסטור. כעת חוקרים מדווחים כי הם הצליחו לפתח טרנזיסטור זעיר במיוחד, המבוסס על היסוד הנדיר טלוריום.

כבר בשנת 1965 הציע מייסד ענקית השבבים אינטל, גורדון מור, את הכלל המכונה חוק מור, שלפיו בערך כל שנתיים הטכנולוגיה משתפרת במידה שמאפשרת לייצר כמות כפולה של טרנזיסטורים בשבב מחשב באותו גודל. בניסוח אחר נאמר שכל שנתיים עוצמת המחשוב מכפילה את עצמה, שכן אנו מייצרים שבבי מחשב בגודל זהה אך בעוצמה כפולה. 

החוק אינו חוק טבע בסיסי אלא רק תחזית המבוססת על תצפית, והוא נשאר נכון במשך קרוב ל-50  שנה. לשם ההמחשה, המעבד הראשון של אינטל, שיצא לשוק בשנת 1971, הכיל רק 2,300 טרנזיסטורים. בשבבים בגודל דומה כיום יש מיליארדי טרנזיסטורים, שגודלו של כל אחד מהם אינו עולה על אלפית מגודלו של טרנזיסטור יחיד משנות ה-70 המוקדמות.

המיקרו-מעבד המסחרי הראשון: שבב 4004 של אינטל משנות ה-70 המוקדמות הכיל כ-2,300 טרנזיסטורים | צילום: Thomas Nguyen, ויקיפדיה

רואים את הסוף?

טרנזיסטור הוא התקן אלקטרוני שמשנה את עוצמת הזרם העוברת בו בהתאם לשינוי בסביבה, ובפרט למתח חשמלי המופעל עליו. הוא יכול לתפקד בין השאר כמתג זעיר או כמגבר זרמים. חשיבותו הרבה נובעת מכך שכל החישובים הנעשים במחשבים הם בעצם שינוי של זרמים חשמליים שמייצגים סמלים בסיסיים שהמחשב יודע לפענח – למשל "0" אם אין זרם ו-"1" אם יש זרם. כך מאפשרים הטרנזיסטורים ליצור שערים לוגיים – הפעולות הבסיסיות שהמחשב מבצע על הזיכרון שלו.

מאז המצאתו בידי ג'ון ברדין, ויליאם שוקלי ווולטר ברטיין בשנת 1947, עבר הטרנזיסטור שינויים רבים ובעיקר הוקטן מאוד. עם זאת, העקרונות הבסיסיים שלו נותרו בעינם גם כעת. על הפיתוח הוענק לשלושה פרס נובל בפיזיקה ב-1956.

גם כיום ממשיכים המאמצים לשכלל את הטכנולוגיה ולייצר טרנזיסטורים יותר ויותר קטנים. הבעיה היא שאנו קרבים והולכים לגבול התיאורטי התחתון של יכולת המזעור שלנו, כלומר לגודלם של אטומים יחידים. בגדלים האלה כבר עלולים להופיע אפקטים פיזיקליים שישבשו את פעילות הטרנזיסטורים.

בנוסף, בעיית ההתחממות של השבבים מחמירה ככל שמספר הטרנזיסטורים עולה. כדי להתמודד עם זה יש מי שמנסים להחליף את הצורן (סיליקון), המשמש כמוליך למחצה בטרנזיסטורים, בחומרים אחרים, או להשתמש באמצעים אופטיים. אפילו טכנולוגיית שפופרות הריק, שקדמה לטרנזיסטורים, נחקרת מחדש ואף עשויה להחליף את הטרנזיסטורים בנסיבות מסוימות.

אטומי הטלוריום בשרשרת יוצרים צורת סליל בעל תכונות ייחודיות | איור: אוניברסיטת מישיגן

ובכל זאת, מזעור

צוות של חוקרים מארצות הברית דיווח לאחרונה בכתב העת Nature Electronics כי אפשר לייצר מהיסוד טלוריום (מספר אטומי 52) סלילים בגודל ננומטרי, כלומר מיליארדיות המטר. ולסלילים הללו יש תכונות שעשויות להפוך אותם לטרנזיסטורים הקטנים ביותר הידועים.

טלוריום הוא יסוד נדיר למדי, בערך כמו פלטינה ומתכות יקרות אחרות, אבל קל יחסית להפיק אותו ולכן הוא זול יחסית – הוא עולה כחמישית ממחיר המתכת כסף, ומשמש בעיקר כתוסף למתכות אחרות בזמן העיבוד שלהן ובתעשיית האלקטרוניקה. הטלוריום הוא מוליך למחצה, בדומה לצורן, כלומר חומר שהמוליכות שלו משתנה בהתאם לתנאי הסביבה. עקב הצריכה הגוברת שלו והשימושים הרבים בו, עלול להיווצר מחסור בו בעתיד.

כשהחוקרים ייצרו שרשרת של אטומי טלוריום הם גילו שהתקבל סליל, ולא סתם שרשרת ישרה כפי שיסודות אחרים נוטים ליצור. המבנה הזה מעניק לטלוריום תכונות אלקטרוניות מיוחדות שהופכות את הסלילים לטרנזיסטורים יעילים. כדי לייצב את המבנה שלהם ולשמור עליהם, עטפו את הסלילים במעטפת של ננו-צינוריות העשויות בורון ניטריד (BN) – שגם פועלת כמבודד וכך עוזרת לתפקודם כטרנזיסטורים. המבנה שנוצר היה בגודל של שני ננומטר בלבד, כחמישית מגודלם של הטרנזיסטורים הקטנים ביותר שנמצאים כיום בשימוש.

לא ברור עדיין אם אכן אפשר לשלב את הסלילים הללו במעגלים חשמליים ובשבבי מחשב, אבל הפוטנציאל בהחלט קיים. השאלה היא אם יהיה אפשר לשמור על הגודל הזעיר ועל התפקוד של סלילי הטלוריום גם במערכות גדולות, כך שנותרה עוד דרך ארוכה עד שנראה מערכת כזאת בשימוש מעשי. חלק ממימון המחקר הגיע מהסוכנות למחקרים מתקמים של משרד ההגנה האמריקאי (DARPA), דבר שמעלה את הסבירות לכך שהתגלית תתקדם לשלב יישומי בתוך כמה שנים. נראה אם ההבטחה הזאת תתממש, ואם הטלוריום יהפוך לגיבור הבלתי צפוי הבא של תעשיית האלקטרוניקה.