טרנזיסטור

הטרנזיסטור מאפשר, בראש ובראשונה:

• יצירת אות, כלומר העברת זרם חשמלי (*אלקטרודינמיקה) דרך נקודה מוגדרת במעגל;

• הגברת זרם, כלומר קליטת זרם בעוצמה נמוכה (כפי שהיא נמדדת ביחידות אמפר) ופליטת זרם בעוצמה גבוהה;

• מיתוג זרם, כלומר מעבר ממצב "דולק" (זרם עובר במעגל) למצב "כבוי" (זרם אינו עובר), ולהפך;

• יישור זרם, כלומר הולכת זרם בכיוון אחד במוליך, אבל מניעת מעברו בכיוון ההפוך.

מכיוון שכך, אפשר לראות את הטרנזיסטור כעמוד התווך של מהפכת המידע, הנובעת ביסודו של דבר מהתפתחות יכולתנו לשלוט באותות חשמליים כאוות נפשנו. אמנם יכולת זו כבר באה לכלל ביטוי בשימוש בשפופרות ריק מאז תחילת המאה ה-20, אבל הטרנזיסטור שיפר אותה לאין ערוך.

הטרנזיסטור עשוי גביש או כמה גבישים של חומר מוליך-למחצה שטופל בדרכים מסוימות, כמוסבר להלן. לחלקים שונים של הטרנזיסטור מחוברים שלושה מוליכים בדרך כלל, כך שהפעלת מתח חשמלי בין שניים מהם גורמת לשינוי בזרם העובר (או אינו עובר) במעגל החשמלי הכולל את הטרנזיסטור ואת מקור המתח. שילוב של מספר טרנזיסטורים יכול ליצור שער לוגי  – התקן הנותן אות פלט בהתאם לצירוף המסוים של אותות קלט שהוא מקבל – שהוא בסיס פעולתו של המחשב.

הטרנזיסטור עשוי מחומר מוליך-למחצה. זהו חומר שהתנגדותו למעבר זרם חשמלי נמצאת בטווח הביניים שבין ההתנגדות הנמוכה (או בניסוח שווה-ערך, המוליכות הגבוהה) האופיינית למתכות לבין ההתנגדות הגבוהה האופיינית לחומרים אלמתכתיים אחדים. לדוגמה, המוליכות הסגולית של נחושת היא ×10660.7 זימנס למטר, ואילו מוליכות הגופרית היא 5×10-21 זימנס למטר. (יחידת זימנס, המודדת מוליכות חשמלית, היא ההופכי של יחידת אום – Ω – המודדת התנגדות חשמלית; במונחי יחידות היסוד של מערכת המידות והמשקלות הבינלאומית, SI, היא שווה s3 A2 m-2 kg-1.) כשמדובר במוליך-למחצה, למשל צורן, המוליכות הסגולית שלו היא 2.5×10-9 זימנס למטר.

פעולת הטרנזיסטור נובעת מאופן התנהגותם של אלקטרונים בגביש של חומר מוליך-למחצה; לצורך הדוגמה נבחר בצורן, המוליך-למחצה הנפוץ ביותר בייצור טרנזיסטורים כיום, שמספר האלקטרונים בקליפת הערכיות שלו הוא 4. אם מדובר בגביש אידיאלי, טהור לחלוטין, תנועת אלקטרונים בו אפשרית אבל מועטה מאוד. למעשה אפשר לראותו כמבודד, אם כי לא יעיל במיוחד. אבל אם "מאלחים" את הגביש, מצב המוליכות שלו משתנה. אילוח (doping) פירושו הוספת יסוד כימי שונה לגביש, כך שכמה אטומים שלו יחליפו אטומי צורן (בדוגמה זו) בסריג הגבישי. אפשר לבחור באחד משני סוגים של חומר מאלח: יסוד מעמודה 15 בטבלה המחזורית, בעל חמישה אלקטרוני ערכיות, למשל זרחן; או יסוד מעמודה 13, בעל שלושה אלקטרוני ערכיות, למשל אלומיניום.

במקרה הראשון יהיו בסריג הגבישי אלקטרונים "עודפים", שיוכלו לנוע בו בחופשיות ולהוליך את המטען החשמלי השלילי שלהם לכאן ולכאן; במקרה השני ייווצרו "חורים" בסריג הגבישי. חור, בהקשר זה, שקול כנגד מטען חשמלי שווה בגודלו לזה של האלקטרון, אבל סימנו חיובי בעוד שסימן מטענו של האלקטרון הוא שלילי. גם החורים יכולים לנוע בחופשיות, ואפשר לפרש את התנהגותם כאילו הם מוליכים מטענים חיוביים. אבל חשוב להבין את משמעותו של חור בסריג גבישי: אין הוא זהה לנוכחות פוזיטרון, האנטי-חלקיק של האלקטרון שמטענו חיובי.

חור הוא מקום פנוי בסריג הגבישי, שהיה יכול להתמלא ע"י אלקטרון, אבל אין הוא מלא. לשם המחשה, תארו לעצמכם אולם קולנוע שהמושבים בו מסומנים, אבל לא כולם תפוסים; לא כל הכרטיסים נמכרו, ולכן יש "חורים" – מושבים פנויים – בשורות השונות. בתחילה, הצופים תופסים את מקומותיהם לפי המסומן בכרטיסיהם; אך כנהוג במקומותינו, ברגע שכבים האורות מתחילים צופים אחדים לעבור מהמקומות המסומנים בכרטיסיהם למושבים פנויים: הם תופסים מקומות שנחשבים בעיניהם טובים יותר, ומשאירים מאחור מקומות פנויים חדשים. באופן זה "נעים" החורים ממקום למקום, אבל בכל רגע נתון, אין שום צופה בשום מושב פנוי, כמובן, ולכן זהו "חור".

נחזור למוליכים-למחצה. אחד הסוגים שלהם, זה שיש בו עודף של אלקטרונים, נקרא סוג n (לפי negative – שלילי). הסוג השני, בעל עודף החורים, הוא סוג p (לפי positive – חיובי). לחלופין אפשר לתאר אותם כגבישים עתירי אלקטרונים ודלי אלקטרונים, בהתאמה. אם ניקח פיסות גביש משני הסוגים, נצמיד אותן זו לזו ונפעיל עליהן שדה חשמלי אחיד, האלקטרונים והחורים ינועו בכיוונים מנוגדים. ומה יקרה במקום המפגש? הממשק שבו צמודים גבישים משני הסוגים זה לזה נקרא צומת p-n, ובו מתרחשת הפעילות המעניינת באמת.

עם יצירת המגע בין שתי פיסות החומר מתחילה דיפוזיה של אלקטרונים וחורים: המשיכה האלקטרוסטטית בין השניים מושכת אלקטרונים לעבר חורים וחורים לעבר אלקטרונים. בשני הצדדים של הממשק, חורים מתמלאים באלקטרונים ומנטרלים אלה את אלה, עד אשר מושג שיווי משקל: אין בקרבת הממשק עוד חורים פנויים, ואין שם עוד אלקטרונים חופשיים. הממשק משמש מעתה כמבודד, המונע את המשך הדיפוזיה. בגבישים משני צדדיו יש עודף של אלקטרונים מזה ושל חורים מזה, אבל אין הם חופשיים עוד להתמזג, משום ששכבת הדלדול (depletion layer) שנוצרה בין שני סוגי הגבישים, זו שבה מילאו אלקטרונים את החורים, מונעת את מעברם.

אפשר לתאר זאת גם כך: הדיפוזיה מביאה למשיכת אלקטרונים מזה וחורים מזה לעבר הממשק. ריכוזי האלקטרונים והחורים המתהווים כך מחוללים שדה חשמלי, הפועל כנגד המשך הדיפוזיה משום שהוא דוחה את החורים הנמשכים לעבר אזור n ואת האלקטרונים הנמשכים לעבר אזור p. בסופו של דבר, עוצמת כוחו של השדה החשמלי הזה מאזנת את עוצמת כוח הדיפוזיה, והממשק מגיע לשיווי משקל המונע למעשה את המשך הדיפוזיה. תיתכן אמנם זליגה (leakage) קלה של אלקטרונים ושל חורים דרך שכבת הדלדול, אבל בוני הטרנזיסטורים משקיעים מאמצים מרובים במניעתה.

עכשיו נפעיל מתח ממקור חיצוני (למשל מצבר) בין שתי פיסות הגביש הצמודות. נניח שאנו מחברים את פיסת p לקוטב החיובי של המצבר, ואת פיסת n – לקוטב השלילי; מתח כזה נקרא מתח-מִקדָם קדוֹמָני (forward bias). הצומת יפסיק לשמש כמחסום: המתח ידחף את האלקטרונים ואת החורים לעבר הממשק, ועובי שכבת הדלדול ילך ויצטמק. בסופו של דבר היא תהיה דקה במידה כזו שהשדה החשמלי שהיא חוללה, זה שהפך אותה קודם למבודדת למעשה, לא יוכל עוד לבלום את משיכת האלקטרונים לאזור p והחורים לאזור n. הדיפוזיה תתחדש, וזרם חשמלי יתחיל לזרום דרך צומת p-n: אלטרונים יעברו מ-n אל p, חורים יעברו מ-p אל n, וכמות הזרם הכוללת במעגל תהיה שווה לסכום מטעני האלקטרונים ועוד סכום "מטעני" החורים.

אגב, לפי המוסכמה המקובלת על הפיסיקאים, עוד מהתקופה שבה לא ידעו דבר על אלקטרונים, קל וחומר על חורים, הזרם מתואר כנע מ-p לעבר n, אף על פי שזרם חשמלי נתפס על פי רוב כתנועת אלקטרונים דווקא, וזו מתנהלת בכיוון ההפוך.

אם נהפוך את קוטביות המתח, כלומר נחבר את פיסת n לקוטב החיובי של המצבר, ואת פיסת p – לקוטב השלילי, נקבל מתח-מקדם אחורני (reverse bias). אולי הייתם מצפים שהזרם יהפוך את כיוונו, אבל לא זה מה שקורה. בפועל, הצומת אינו מעביר זרם כלל, כי בתנאים אלה, החורים שבפיסת p נמשכים מהצומת והלאה, והאלקטרונים שבפיסת n נמשכים גם הם מהצומת והלאה. רוחבה של שכבת הדלדול עולה, והצומת הופך למבודד יותר ויותר יעיל ככל שעולה עוצמת מתח-המקדם האחורני.

ובכן, זהו העיקרון הבסיסי ביותר של פעולת הטרנזיסטור המסתמכת על צומת p-n: כאשר מופעל עליו מתח חשמלי, הוא מבצע מניפולציות בזרם חשמלי: למשל, הוא מיישר אותו, כלומר מאפשר את מעברו בכיוון אחד ומונע את מעברו בכיוון ההפוך. כמובן, אין די בכך: מיישרי זרם, למשל, היו ידועים לפיסיקאים ולמהנדסי החשמל עוד לפני המצאת הטרנזיסטור. הדיודה היא שפופרת ריק מיישרת זרם, שהומצאה כבר ב-1904. אבל יש לטרנזיסטור כמה וכמה יתרונות חשובים על שפופרות הריק, שנרחיב את הדיבור עליהם בהמשך. מעל ומעבר לכך, תפקידו באלקטרוניקה המודרנית אינו מתמצה ביישור זרם: הוא ממלא עוד תפקידים חשובים אחרים, ובראשם הגברה ומיתוג, משום שאפשר לעשות בו, בקלות יחסית, מניפולציות חשובות. גם אותם אפשר לבצע בשפופרות ריק, אבל יתרונו של הטרנזיסטור עליהן מתבטא כמעט בכל היבט והיבט של פעולתו.

את המניפולציות האלה אפשר לבצע בכמה וכמה דרכים שונות, ולפיכך פותחו מספר סוגים של טרנזיסטורים, שלכל אחד מהם כמה וכמה "זנים". בתנאים נתונים, כל אחד מהם מבצע פעילות מסוימת ברמת היעילות הגבוהה ביותר יחסית לשאר. לפיכך, בהתאם לדרישות המוצר ולתנאי הפעולה, אפשר לבחור בזני הטרנזיסטור המתאימים ביותר לבנייתו מתוך קטלוג גדול למדי. להלן יתוארו אחדים מהסוגים החשובים ביותר, אך יש לזכור כי כל אחד מהם נחלק לזנים, כאמור, ויש גם כמה סוגים עיקריים אחרים, שהשימוש בהם נדיר יותר.

לרוב מקבל הבסיס את המתח שלו מהמעגל החשמלי הראשי של הטרנזיסטור; אבל דרך אחרת למיתוגו של טרנזיסטור דו-קוטבי היא באמצעות אור: ציפוי הבסיס בחומר פוטו-חשמלי גורם למעבר זרם אל הבסיס כאשר הוא חשוף לאור (בטרנזיסטורים כאלה יש בציפוי המבודד חלון שקוף, מבודד גם הוא, לצורך זה), ולהפסקת הזרם בהיעדר אור. לכן יכולים הטרנזיסטורים האלה לשמש בין השאר בגלאים, כגון אלה שבמערכות אבטחה.

גם בטרנזיסטורים מסוג זה נקראים שלושת המגעים בשמות מקור, שער וניקוז. מגעי המקור והניקוז, אבל לא מגע השער, חודרים דרך שכבת הבידוד ובאים במגע עם הצורן. מתח חשמלי בין שני מגעים אלה יוצר ריכוזי מטענים שליליים (אלקטרונים) בצורן בקרבתם, ההופך לפיכך לסוג n. מעל הבידוד, בתווך בין המקור והניקוז, נמצא השער. בטרנזיסטורים הראשונים מסוג זה הוא היה עשוי מתכת, למשל אלומיניום, אם כי כיום מרבים להשתמש בחומרים אחרים.

כשאין מתח בשער, הצורן מסוג p בין המקור והניקוז מכיל עודף חורים, ולכן הוא מונע כמעט כליל מעבר אלקטרונים בין שני מגעים אלה. בפועל, קיימות שכבות דלדול סביב שני אזורי n. אבל אם מופעל על השער מתח חיובי, יחדור שדה חשמלי דרך שכבת הדלדול וימשוך אלקטרונים אל תוך שכבת הצורן שמתחת לשער, כשמתח זה יעבור שיעור סף מסוים, יתחיל זרם לעבור בין המקור והניקוז. עוצמת הזרם תהיה תלויה במתח השער, ולכן משמש טרנזיסטור כזה כמתג או כמגבר.

בדומה לכך, אם שכבת המוליך-למחצה (הקרויה לפעמים שכבת היפוך, inversion layer) היא מסוג n, ומגעי המקור והניקוז יוצרים אזורי p, מתח שלילי בשער יגרום לזרימת חורים מהמקור אל הניקוז. טרנזיסטור כזה נקרא PMOS בניגוד לקודם, NMOS. תדירויותיהם של שני הסוגים תלויות במרחק שצריכים נשאי המטען לעבור, ובגורם נוסף: מהירות התנועה של חורים בצורן היא רק כשליש ממהירות תנועתם של אלקטרונים בחומר זה, בתנאים שווים. לפיכך, טרנזיסטורי NMOS מהירים בהרבה מטרנזיסטורי PMOS.

חיסרון גדול של טרנזיסטורי MOS נובע מכך שהם צורכים זרם גם כשאינם פועלים, כדי לחולל את השדה האחראי לשכבת הדלדול המונעת מעבר זרם בין המקור והניקוז. אולם בשנות ה-60 הומצאו טרנזיסטורי CMOS (האות C מציינת complementary, משלים), העשויים מיחידת NMOS ויחידת PMOS צמודות.

יתרונם בכך שצריכת החשמל שלהם גבוהה רק בשעת פעולה, ולכן הם משתמשים בהתקנים המחייבים זרם מזערי, כגון שבבי מחשב. כידוע, מעבר זרם – גם בחומר בעל מוליכות גבוהה – מחולל תמיד חום, ובצפיפות הטרנזיסטורים הגבוהה הקיימת בשבבי המחשב, חום זה עלול לגרום להתכת השבב פשוטו כמשמעו. לכן חשוב שצריכת החשמל שלהם תהיה נמוכה ככל האפשר.

ב-1925, עשרים שנה אחרי שהחל השימוש בשפופרות ריק כדיודות (שאליהן הצטרפו כעבור זמן מה הטריודות), הגה המהנדס האוסטרי יוליוס ליליינפלד  את רעיון טרנזיסטור תוצא השדה. אך הידע התיאורטי והטכנולוגיה של ימיו לא אפשרו את מימוש רעיונו, ורוב הקהילה המדעית התעלמה ממנו. אחד המעטים, כנראה, שקראו את ליליינפלד וירדו לסוף דעתו, היה הפיסיקאי האמריקאי ויליאם שוקלי, שהיה עתיד למלא תפקיד מרכזי בהמצאת הטרנזיסטור.

בשנים שלאחר מכן לא אירעו התפתחויות של ממש, בעיקר משום ששפופרות הריק מילאו את תפקידן באופן סביר. אמנם הן צרכו כמות גדולה של חשמל, פלטו כמות גדולה של חום, היו מוּעדות לתקלות שונות ומשונות וגם בלעדיהן לא החזיקו מעמד יותר מכמה אלפי שעות עבודה, אבל לא היה להן תחליף של ממש (מלבד מתגים אלקטרומכניים בכמה יישומים, שגם להם היו צרות משלהם). דומה שלא הורגש צורך בפיתוח חלופה רדיקלית (להבדיל משיפור השפופרות עצמן, שאכן התנהל במרץ). המצב השתנה עם הופעת המכ"ם (רדאר), זמן קצר לפני פרוץ מלחמת העולם השנייה.

מקלט המכ"ם אמור לקלוט גלי רדיו או גלי מיקרו מכיוונים שונים ובתדרים שונים במקצת, עקב תוצא דופלר, וכאן נחשפו חסרונותיהן של שפופרות הריק בחומרה רבה: קצב המיתוג שלהן לא היה גבוה במידה הנדרשת – לפחות גיגאהרץ אחד – ולצורך יישור זרם היה צורך להרכיב מספר רב של שפופרות בהתקן לא גדול יחסית, מה שעורר בעיה קשה של עודף חום. המצב נעשה קשה עוד יותר כשהחל, בשנות המלחמה, פיתוח המחשבים האלקטרוניים הראשונים, שנועדו בתחילה לפיצוח צפנים גרמניים.

בלית ברירה נעשה שימוש חלקי בדיודות מצב מוצק מבוססות על המוליכים-למחצה שהיו ידועים באותה עת, אבל גם הן לא ענו על הדרישות במלואן, ומחשבים אלה התבססו בעיקר על שפופרות ריק וסבלו מכל הבעיות הכרוכות בהן. בין השאר, ב-1947 חיפשה חלוצת המחשבים גרייס מארי הופר את הסיבה לתקלה במחשב שהפעילה באוניברסיטת הרוורד, ומצאה שחרק כלשהו (באנגלית bug) חדר למחשב, נשרף וגרם להתכת שפופרות ריק סביבו. כאן, אומרת האגדה, נולד השימוש במילה "באג" לציון תקלה במחשב.

תקציבי עתק הוקצו בבריטניה ובארה"ב לפיתוח תחליף לשפופרת הריק, וגם אם המלחמה הסתיימה בטרם נמצאה תשובה, המחקר נמשך הלאה, הודות לרוח הגבית שסיפקה לו המלחמה הקרה. בהדרגה הסתמנו מעבדות בל האמריקניות כמובילות בתחום. עוד בשנות המלחמה התקדמו מעבדות בל בפיתוח מיישרי זרם מבוססים על מוליכים-למחצה מאולחים, שנקראו מיישרי גביש. מכאן, לא רחוקה היתה הדרך לרעיון השימוש בחומרים אלה כתחליף לדיודות ולטריודות. עם זאת, היה צורך בקידום התיאוריה הפיסיקלית של המצב המוצק כדי להבין את תכונות החומרים הללו.

מושגים שנזכרו בפרקים הקודמים של ערך זה כמובנים מאליהם, כמו למשל שכבת דלדול, לא היו מובנים כלל בשנים שמיד אחרי המלחמה, והיה צורך לפתח ולקדם תחילה את הבנת ההתרחשויות הנוגעות לאלקטרונים ולחורים במשטחים גבישיים, בהתבסס על מכניקת הקוונטים.

הצוות שהקימו מעבדות בל לפיתוח יישומיה של פיסיקת המצב המוצק כלל את וולטר ברטיין, ויליאם שוקלי וג'ון ברדין (זה האחרון הוא שהגה את רעיון שכבת הדלדול.) כבר באמצע 1945 הציע שוקלי את ההתקן הקרוי כיום טרנזיסטור תוצא שדה, אלא שהטכנולוגיה של אותם ימים לא אפשרה את בנייתו. במקום זאת בנה הצוות, והציג לראשונה ב-6 בדצמבר 1947, התקן מסובך ומסורבל למדי שנקרא טרנזיסטור מגע נקודתי (point-contact) – מגבר זרם עשוי מהיסוד המוליך-למחצה גרמניום. ב-1972 זכו שלושת החוקרים בפרס נובל לפיסיקה על המצאתם.

מעבדות בל מכרו את זכויות השימוש לכמה וכמה חברות שהתחילו בייצור טרנזיסטורים, וכבר בשנות ה-50 הראשונות הופיעו במקומות שונים בעולם כמה דגמים, לא מוצלחים במיוחד. אבל בסוף 1954 הציגה חברת סוני היפנית רדיו-טרנזיסטור ראוי לשימוש, והחלה בשיווקו. מכשיר זה הוא שהפך את סוני לסיפור הצלחה. חברות רבות נכנסו לשוק החדש, ו"מנורות הרדיו" עברו מן העולם. מוצר אחר שהתאפשר הודות לטרנזיסטורים הראשונים היה מכשיר עזר לסובלים מלקויות שמיעה.

בתחום המחשבים, המחשב הראשון שהתבסס אך ורק על טרנזיסטורים נבנה באוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה ונחנך בנובמבר 1953. אולם מבנהו התבסס על טרנזיסטורי מגע נקודתי, והוא לא האריך ימים. ב-1955 החל תאגיד יבמ לבנות מחשבים שהתבססו על טרנזיסטורים דו-קוטביים עשויי גרמניום, ועד סוף אותו עשור נעלמו שפופרות הריק גם מעולם המחשב (אם כי נשארו בו "באגים" אחרים, כידוע לכולנו).

בשנות ה-50 וה-60 התנהל פיתוח הטרנזיסטור במהירות רבה במספר מרכזים בעולם, ובעיקר בארה"ב. אחת ההתפתחויות החשובות היתה המעבר משימוש בגרמניום, שממנו נבנו הטרנזיסטורים הראשונים, לצורן. אמנם הצורן תגובתי יותר מהגרמניום, ונקודת ההתכה שלו גבוהה יותר, מה שמכביד על עיבודו, אבל יש לו יתרונות חשובים: בראש ובראשונה, זרמי הזליגה בגרמניום חזקים יותר, והדבר מקשה על השימוש בו למיתוג. חלוצת ייצורם של טרנזיסטורי הצורן היתה חברת טקסס אינסטרומנטס, החל מ-1954.

מעבדות בל התרכזו באותה עת בפיתוח הטכנולוגיות הדרושות לייצור טרנזיסטורים טובים יותר: שיטות חדשניות לייצור גבישי צורן טהורים ביותר ולאילוחם, שיטות לציפוי הצורן בשכבת SiO2 לבידוד ולהגנה מפגיעה פיסית, ובעיקר בניית טרנזיסטורי צומת בעלי שכבות מוליך-למחצה יותר ויותר דקות; כמתואר לעיל, הדבר משפר פלאים את יעילות ההתקן. הטרנזיסטור הלך והוזער. לקראת סוף העשור חשו ראשי מעבדות בל שמצויה בידם הטכנולוגיה הדרושה למימוש רעיונו של שוקלי מ-1945, טרנזיסטור תוצא השדה. ההתקן הראשון מסוג זה הוצג ב-1960. חברות אחרות חשו לשכלל אותו, ובתוך שנים ספורות הוצג טרנזיסטור תוצא השדה מסוג MOS. ייצורו המסחרי החל ב-1964, ובה בעת פותחו התקני CMOS החסכוניים בחשמל.

במה שנוגע לעקרונות הפעולה של הטרנזיסטור, ההתפתחויות שחלו מאז היו פעוטות יחסית למהפכה הגדולה של השנים 1947 – 1964. אבל במה שנוגע ליישומיו, המהפכה נמשכה במרץ. טרנזיסטורים הלכו ותפסו את מקום שפופרות הריק ביישומי אלקטרוניקה רבים מספור, אם כי ראוי לציין שבניגוד לציפיות המוקדמות, הם לא החליפו אותן לחלוטין. לדוגמה, טרנזיסטור אינו יכול לעמוד במתח חשמלי גבוה מאוד: הזרם פשוט יתיך אותו. משום כך יש עדיין שימושים מוגבלים לשפופרות ריק, בעיקר ביישומים אנלוגיים.

זמן קצר אחרי המצאת הטרנזיסטור החל פיתוחם של רכיבים אלקטרוניים אחרים, כמו נגדים וקבלים, בשיטות דומות שהתבססו על מוליכים-למחצה. גודל הרכיבים הדרושים לבניית מעגל אלקטרוני הצטמק במהירות, וכבר ב-1958 הציעו (בנפרד) ג'ק קילבי מחברת טקסס אינסטרומנטס ורוברט נויס מחברת פרצ'יילד את רעיון המעגל המוכלל (integrated circuit). על לוח של חומר מוליך-למחצה (כיום זהו כמעט תמיד צורן) "שורטטו" קווים דקים של מתכת מוליכה, ששימשו כמוליכים, ובלוח זה נקבעו הרכיבים הזעירים – טרנזיסטורים ואחרים – כנדרש למטרתו המסוימת של כל מעגל.

כרטיסי המעגל המוכלל הלכו וקטנו בהתמדה, אם כי בה בעת נוספו להם עוד ועוד רכיבים. אם מעבדיהם של מחשבי הטרנזיסטור הראשונים כללו כמה וכמה כרטיסים, ובנוסף להם היו גם כרטיסי זיכרון, כרטיסי קלט, כרטיסי פלט וכו', מאז סוף שנות ה-70 התאפשרה בנייתו של כרטיס מעבד יחיד בגודל ציפורן האגודל (הקרוי משום כך "שבב"), שהביא לעולם בין היתר את המחשב האישי.

בשבב מעבד, הטרנזיסטורים (ושאר הרכיבים) ממוזערים לממדים מיקרוסקופיים, מה שמחייב שיטות מתקדמות ביותר לבנייתם. ככל שמשתכללות השיטות הללו, גדל מספר הרכיבים המותקנים בשבב ולפיכך עולה רמת הביצועים שלו. כבר ב-1965 הבחין גורדון מור, מהנדס מחשבים בחברת פרצ'יילד, כי מספר הרכיבים בשבב מוכפל פי שניים מדי שנה בערך. לכן, ניבא, ב-1975 יגיע מספרם ל-65,000 רכיבים בשבב. בבוא אותה שנה התאמתה תחזיתו, אם כי הוא שינה אז במקצת את הערכתו, ודיבר על הכפלה מדי שנה וחצי בערך. זהו "חוק מור" המפורסם, העומד בתוקפו מאז ועד היום.

להגדלת מספר הרכיבים בשבב נלווית ירידה בעלות ייצורו של כל רכיב כשלעצמו, בקצב דומה. הטרנזיסטור הזערורי (ממדיו נמדדים כיום בעשיריות המיקרון, כלומר 10-7 מטר), הזול, המהיר והאמין, הוא אבן היסוד של מהפכת המידע המתחוללת בימינו.