Transistor

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

De transistor is de belangrijkste actieve halfgeleider binnen de elektronica. Hij dient vooral om elektronische signalen te versterken of te schakelen. De transistor is de fundamentele bouwsteen van computers en vele andere elektronische apparaten. Soms worden transistors gebruikt als afzonderlijke component, maar hoofdzakelijk komen ze voor als onderdeel van geïntegreerde schakelingen.

Inhoud 1 Geschiedenis 2 Naamgeving 3 Uitvoeringen 4 Werking 4.1 Bipolaire transistor 4.1.1 Voorbeeld 4.2 Fototransistor 4.3 FET 5 Toepassing 6 Typen 7 Koeling 8 Zie ook 9 Voetnoten

[bewerken] Geschiedenis

De fysicus Julius Edgar Lilienfeld had in 1923 de eerste werkende transistor gebouwd en in 1925 een patent voor de eerste transistor in Canada aangemeld, dat een apparaat beschreef dat overeenkomt met een FET.^[1] Hij heeft echter geen onderzoeksartikelen geschreven over deze transistor. In 1934 heeft de Duitse uitvinder Oskar Heil een patent gekregen voor een vergelijkbaar apparaat.^[2]

In 1947 ontdekten John Bardeen en Walter Brattain in Bell Labs van AT&T in de Verenigde Staten dat wanneer electrische contacten aan een Germaniumkristal worden bevestigd, het vermogen aan de uitgang groter was van dat aan de ingang. De leider van de groep "Vaste Stof Fysica" William Shockley onderkende het belang van deze ontdekking en binnen de volgende maanden werd zeer veel werk verzet om de kennis over halfgeleiders uit te breiden en daarom wordt hij wel gezien als de "vader van de transistor". De term "transistor" werd bedacht door John Pierce.^[3]

Volgens de wetenschapshistoricus Robert Arns heeft Bell Labs juridische documentatie die aantoont dat William Shockley en Gerald Pearson werkende versies van apparaten gebaseerd op Lilienfeld's patenten hebben gebouwd, maar dat ze daaraan nooit hebben gerefereerd in wetenschappelijke en historische publicaties.^[4]

De eerste op silicium gebaseerde transistor werd geproduceerd door Texas Instruments in 1954.^[5] Dit was het werk van Gordon Teal een expert in het produceren van zeer zuivere kristallen, die daarvoor bij het Bell laboratorium werkzaam was.^[6]

De eerste MOS-transistor werd gebouwd door Kahng en Atalla in het Bell Laboratorium.^[7]

In 1956 kregen John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun onderzoek naar halfgeleiders en de ontdekking van het transistoreffect.^[8]

[bewerken] Naamgeving

De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woorden "transfer", of "transconductance", (overdracht) en "varistor" (variabele weerstand, variable resistor)^[9], bedacht door John R. Pierce een collega van Bardeen die sciencefictionboeken schreef (Bardeen ca. 1965, priv. comm.) Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term "transresistance", de pendant van "transconductance" van elektronenbuizen, en in lijn met termen als varistor, resistor en thermistor. Het onderscheid tussen elektrotechniek en elektronica wordt doorgaans gemaakt op basis van de aanwezigheid van actieve componenten, waarvan de transistor de belangrijkste is, als halfgeleider voor sturing van vrije ladingdragers op het terrein van vastestoffysica.

Hoewel men vaak als meervoud transistoren gebruikt, is het Nederlandse meervoud transistors. In het jargon van elektronici zegt men tor en torren, het laatste dus met een dubbele r.

[bewerken] Uitvoeringen

Bipolaire NPN-Transistor

Bipolaire PNP-Transistor

Er zijn twee basistypen transistors: de oorspronkelijke bipolaire transistor, die weer te onderscheiden is in de typen PNP en NPN, en de veldeffecttransistor (FET). De eerste wordt gestuurd door middel van een stroompje en de tweede door middel van een spanning. Daarnaast is er ook de zogenaamde unijunctiontransistor, bestaande uit een kanaal van n- of p-gedoteerd materiaal, waarop een pn-overgang is aangebracht.

Transistors hebben drie aansluitingen met elk een eigen functie en een eigen naam. Voor een bipolaire transistor zijn dat: de basis (afgekort B), de emitter (E) en de collector (C). Voor een veldeffecttransistor worden de aansluitingen met hun Engelse namen respectievelijk gate (G), source (S) en drain (D) aangeduid.

[bewerken] Werking

[bewerken] Bipolaire transistor

Een transistor op zich kan geen stromen of spanningen opwekken. Wel kan een transistor stromen versterken. De werking kan het gemakkelijkst verklaard worden door de transistor op te nemen in een eenvoudig circuit: zie de illustratie. Tussen de basis en de emitter van een transistor bevindt zich een overgangslaag waarvan de doorlaatbaarheid voor elektrische stroom beïnvloed kan worden door een potentiaalverschil tussen basis en emitter te variëren. Bij toenemende spanning Ub gaat een (relatief kleine) stroom Ib in de “basis” van de transistor lopen. Daardoor worden ladingsdragers in de uitputtingszone gebracht, zodat bij een voldoende spanningsverschil (U) tussen collector en emitter er een stroom door dat deel van de transistor gaat lopen. Die stroom (collectorstroom) is afhankelijk van de basistroom en is een veelvoud daarvan. Op deze wijze is de transistor op te vatten als een stroomversterker (stroomregelaar). De stroomversterkingsfactor wordt vaak aangegeven met het symbool β ( = Ic/Ib) of H_fe en kan, afhankelijk van het type transistor, tussen 20 en 800 bedragen.

Er is echter een maximum aan de grootte van Ib en Ic. Indien ervoor wordt gezorgd dat Ib varieert tussen maximum en minimum stroom, dan kent de schakeling twee toestanden: die van geleiding en van niet-geleiding. Op die manier kan de schakeling als bouwelement van een digitaal systeem gebruikt worden.

[bewerken] Voorbeeld

Een transistor als deel van een schakeling. De curves Ub, Ib en Ic geven ter illustratie, een tijdsafhankelijk verloop aan; U is spanning, I is stroom. Aan de basis wordt een ingangssignaal aangeboden: een spanning Ub, die een ingangsstroom Ib veroorzaakt. Daardoor komt de transistor “in geleiding”; het geleidingsvermogen van het circuit van batterij, weerstand Rc en van collector naar emitter, neemt toe, waardoor de stroom Ic kan gaan vloeien. Met een kleine stuurstroom Ib kan een veel grotere stroom Ic worden geregeld.

[bewerken] Fototransistor

Een speciaal geval is de fototransistor, een bipolaire transistor waarvan de pn-overgang tussen basis en emitter voor licht toegankelijk is. Sturing vindt hier plaats door het invallende licht.

[bewerken] FET

Een kleine stuurspanning op de gate van een FET beïnvloedt de weerstand van het kanaal tussen source en drain, waardoor de grotere stromen die in dit kanaal kunnen lopen geregeld kunnen worden. Een essentieel verschil tussen een bipolaire transistor en een FET is dat bij de bipolaire transistor de collectorstroom wordt geregeld door een stroom (door de basis van de transistor), terwijl bij de FET de sourcestroom wordt geregeld door een spanning (op de gate).

[bewerken] Toepassing

IC's (soms ook chips genoemd) zijn opgebouwd met (soms miljarden) transistoren als basis. In digitale chips worden transistors niet als analoge versterker gebruikt, maar als elektronische schakelaars.

Vóór de uitvinding van de transistor gebruikte men elektronenbuizen of relais voor dit soort toepassingen. Sommige computers bestonden toen uit een hele kamer vol elektronenbuizen. Aangezien elk van die buizen een beperkte levensduur had, moest er geregeld een buis vervangen worden en moesten delen van berekeningen weer over gedaan worden. Voor telefooncentrales die met relais gebouwd werden golden vergelijkbare problemen.

Transistorcurvetracer

[bewerken] Typen

Naast de conventionele transistoren met aansluitdraden (Engels: "Through-hole transistors") worden de laatste jaren vooral veel SMT (Surface Mount Technology) transistoren toegepast. SMT-componenten nemen belangrijk veel minder ruimte in op een printplaat en er hoeven geen gaatjes te worden geboord in de printplaat om de SMT-componenten te bevestigen. In deze tabel zijn veel courante transistoren uit beide categorieën verzameld.

[bewerken] Koeling

Transistoren moeten gekoeld kunnen worden. Bij de kleine transistoren in TO-18-, TO-39- en TO-92-behuizingen valt de hoeveelheid warmte die door dissipatie wordt opgewekt meestal wel mee. maar met name bij de zogenoemde vermogenstransistoren kunnen de stromen (en daardoor dus ook de vermogens) zodanig groot worden dat een koelplaat moet worden gebruikt. Naast de stroom speelt ook de frequentie waar de transistor op werkt een belangrijke rol bij de dissipatie.

Als alleen een koelplaat onvoldoende is, kan het noodzakelijk zijn om ook een ventilator te gebruiken. Dit wordt geforceerde koeling genoemd. Deze wordt bijvoorbeeld toegepast bij de ventilator van de processor in een computer.

Voor het berekenen van een koellichaam gaan we als volgt te werk: Het temperatuurverschil tussen junctie j en omgeving a is T'_{(j − a)} = P * R_{th(j − a)}, (T' = temperatuur in kelvin = graden Celsius + 273) waarin P het gedissipeerd vermogen en R_th de thermische weerstand voorstelt. De omgevingstemperatuur moet hier nog bij opgeteld worden en het totaal moet dan lager zijn dan de maximaal toegelaten junctietemperatuur (voor silicium ongeveer 150...200 graden Celsius). Volgt uit de berekening dat Tj te hoog wordt, dan moet een koelplaat worden toegepast. Het thermisch circuit bestaat dan uit 3 in serie geschakelde weerstanden R_{th(j − m)}, R_{th(m − h)} en R_{th(h − a)}. Dit zijn respectievelijk de thermische weerstand van junctie naar huis of montageplaat (mounting base), van behuizing naar koellichaam (heat sink) en van koellichaam naar omgeving (ambient = lucht). Bij gebruik van een isolatieplaatje (bijv. mica) moet ook hiervan de thermische weerstand R_th(i) in rekening worden gebracht. De vereiste R_{th(h − a)} wordt berekend met de vergelijking:

Enkele voorbeelden van praktische warmteweerstanden zijn: een TO-3 behuizing die met 2 M3-bouten direct is gemonteerd zonder geleidende pasta levert een R_{th(m − h)} » 0,6 K/W. Met pasta wordt dat » 0,1 K/W en met een micaplaatje resp. 1 K/W en 0,3 K/W. Standaard printmateriaal met een koperoppervlak van 50 × 50 mm, koperdikte 35 µm heefteen R_{th(m − a)} » 50 K/W als de transistor aan de isolerende zijde is gemonteerd.

Voor de diverse koellichamen wordt de thermische weerstand door de fabrikant opgegeven. Een koellichaam dient bij voorkeur in verticale stand te worden gemonteerd om de luchtstroom die door de warmteafgifte wordt veroorzaakt zo weinig mogelijk te hinderen. Voor blanke oppervlakken is de thermische weerstand 10 à 15 % hoger. Bij horizontale opstelling moet met 15 à 20 % hogere waarden worden gerekend.

Voor het berekenen van de maximale warmteweerstand R_{th(h − a)} (koelplaat-omgeving) inzichtelijk te maken is hier een rekenvoorbeeld gegeven. T_j(max) (sperlaag) = 160 graden Celsius

R_{th(j − c)} (sperlaag-behuizing) = 4 °C/W

R_{th(c − h)} (behuizing - koellichaam) = 3 °C/W

P (dissipatie) = 8 Watt

T_a (omgeving) = max 40 °C

°C / W

[bewerken] Zie ook

• Lijst van transistoren

[bewerken] Voetnoten