Transistor. Een replica van de eerste werkende transistor van Bell Labs

Transcriptie

1 Transistor De transistor is een halfgeleidercomponent in 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 schakelingen. Soms worden transistors gebruikt als afzonderlijke component, maar hoofdzakelijk komen ze voor als fundamentele bouwsteen van geïntegreerde schakelingen. Geschiedenis Een replica van de eerste werkende transistor van Bell Labs De natuurkundige Julius Edgar Lilienfeld had in 1923 de eerste werkzame transistor gebouwd en in 1925 een patent voor de eerste transistor in Canada aangevraagd in een apparaat dat volgens de beschrijving overeenkomt met een FET. Hij heeft echter geen onderzoeksartikelen geschreven over deze transistor. In 1934 heeft de Duitse uitvinder Oskar Heil een patent gekregen voor een vergelijkbaar apparaat. John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain in Bell Labs, Volgens de wetenschapshistoricus Robert Arns heeft Bell Labs juridische documentatie waaruit blijkt dat William Shockley en Gerald Pearson werkzame apparaten hebben kunnen bouwen die gebaseerd waren op Lilienfelds patenten zonder eraan te refereren in wetenschappelijke publicaties. [3] In 1947 ontdekten John Bardeen en Walter Brattain in Bell Labs van AT&T in de Verenigde Staten dat wanneer elektrische contacten aan een germaniumkristal werden bevestigd, de elektrische stroom aan de uitgang groter werd afhankelijk van een kleine ingangsstroom. De

2 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 aangezien als de "vader van de transistor". De term "transistor" werd bedacht door John R. Pierce. De eerste op silicium gebaseerde transistor werd geproduceerd door Texas Instruments in Dit was het werk van Gordon Teal, een expert in het produceren van zeer zuivere kristallen, die daarvoor bij Bell Labs werkzaam was. De eerste MOS-transistor werd gebouwd door Kahng en Atalla bij Bell Labs. In 1956 kregen Bardeen, Brattain en Shockley de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun onderzoek naar halfgeleiders en de ontdekking van het transistoreffect. Naamgeving De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woordentransfer, of transconductance (overdracht) en varistor (variabele weerstand, variable resistor), bedacht door John R. Pierce, een collega van Bardeen, diesciencefictionboeken schreef (Bardeen ca. 1965, priv. comm.). Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term transresistance, de pendant vantransconductance 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. Hoewel men vaak als meervoud 'transistoren' gebruikt, is het Nederlandse meervoud 'transistors'. In het jargon van elektronici zegt men 'tor' en 'torren'. Uitvoeringen Bipolaire NPNtransistor Bipolaire PNPtransistor Er zijn twee basistypen transistors: de oorspronkelijke bipolaire transistor, en de veldeffecttransistor (FET). De eerste wordt gestuurd door middel van een stroompje en de tweede door middel van een spanning. Elk type heeft weer twee constructies, afhankelijk waar men vanuit gaat, het n of het p-gedoteerd materiaal. Voor het bipolaire type zijn er PNP- en NPN-

3 transistors, van de FET's zijn er n- resp. p-kanaaluitvoeringen. De stromen en spanningen zijn tegengesteld van elkaar. Daarnaast is er ook de zogenaamde unijunctiontransistor, bestaande uit een kanaal van n- of p-gedoteerd materiaal, waarop een pn-overgangis aangebracht. Transistors hebben drie aansluitingen met elk een eigen functie en een eigen naam. Voor een bipolaire transistor zijn dat: 1. de basis (afgekort B), 2. de emitter (E) en 3. de collector (C). Voor een veldeffecttransistor worden de aansluitingen met hun Engelse namen respectievelijk als 1. gate (G) 2. source (S) en 3. drain (D) aangeduid. Werking Russische transistors 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 het variëren van een potentiaalverschil tussen basis en emitter. Bij toenemende spanning Ub gaat een (relatief kleine) stroom Ib in de "basis" van de transistor lopen. Daardoor worden ladingsdragers in de uitputtingszonegebracht, zodat bij een voldoende spanning (U) tussen collector en emitter er een stroom door dat deel van de transistor gaat lopen. Die stroom (collectorstroom) is afhankelijk van de basisstroom en is een veelvoud daarvan. Op deze wijze is de transistor op te vatten als een stroomversterker (stroomregelaar). De stroomversterkingsfactor wordt vaak aangegeven met

4 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, als die bereikt zijn is de transistor 'in verzadiging'. De spanningsval is minimaal (typisch 0,4 V) dus ook de warmteontwikkeling in de transistor. Indien ervoor wordt gezorgd dat Ib varieert buiten maximum en minimum stroom, dan kent de transistor twee toestanden zoals een schakelaar: die van geleiding en van niet-geleiding. Op die manier kan de schakeling als binaire bouwelement van een digitaal systeem gebruikt worden maar ook als schakelaar van grote stromen. Voorbeeld Een transistor als stroomversterker in een schakeling. De curves Ub(basis), Ib(basis) en Ic(collector) geven ter illustratie een tijdsafhankelijk verloop aan: U is spanning, I is stroom. Aan de basis wordt een ingangssignaal aangeboden: eenspanning Ub, die een ingangsstroom Ib veroorzaakt. Daardoor komt de transistor "in geleiding": het geleidingsvermogenvan 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. Fototransistor Een fototransistor is een bipolaire transistor waarvan de pn-overgang tussen basis en emitter voor licht toegankelijk is. Sturing vindt hier plaats door het invallende licht. Veldeffecttransistor Een kleine stuurspanning op de gate van een veldeffecttransistor (Field Effect Transistor, 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).

5 Toepassing Transistor-curvetracer, apparaat om transistors mee te onderzoeken en grafieken te tekenen. IC's (soms ook chips genoemd) zijn opgebouwd met (soms miljarden) transistors 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 computersbestonden 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. Bouwvormen Naast de conventionele transistors met aansluitdraden (Engels: through-hole transistors) worden de laatste jaren vooral veel SMT-transistors toegepast. SMT-componenten nemen 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 transistors uit beide categorieën verzameld. Koeling Transistors moeten de warmte die tijdens het bedrijf ontstaat, kunnen afvoeren. Bij de kleine transistors in TO-18-, TO-39- en TO-92-behuizingen valt de warmte die door dissipatie wordt opgewekt, meestal wel mee, maar met name bij de zogenoemde vermogenstransistors kunnen de stromen (en daardoor dus ook de vermogens) zodanig groot worden, dat een koelplaat moet worden gebruikt om de warmte af te geven aan de lucht. Behalve de stroom is ook de frequentie waar de transistor op werkt een factor in de warmteontwikkeling, bijvoorbeeld bij computerprocessoren door de grote aantallen geïntegreerde transistors.

6 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, met T' = temperatuur in Kelvin = graden Celsius + 273), P het gedissipeerd vermogen en de thermische weerstand. De omgevingstemperatuur moet hier nog bij opgeteld worden en het totaal moet dan lager zijn dan de maximaal toegelaten junctietemperatuur (voor silicium ongeveer 150 tot 200 graden Celsius). Volgt uit de berekening dat Tj te hoog wordt, dan moet een koelplaat worden toegepast. Het thermisch circuit bestaat dan uit drie in serie geschakelde weerstanden, en. 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 (bijvoorbeeld mica) moet ook hiervan de thermische weerstand in rekening worden gebracht. De vereiste wordt berekend met de vergelijking: Voorbeelden van praktische warmteweerstanden: een TO-3 behuizing die met 2 M3-bouten direct is gemonteerd zonder geleidende pasta levert een ~ 0,6 K/W. Met pasta wordt dat ~ 0,1 K/W en met een micaplaatje respectievelijk 1 K/W en 0,3 K/W. Standaard printmateriaal met een koperoppervlak van mm, koperdikte 35 µm heeft een ~ 50 K/W als de transistor aan de isolerende zijde is gemonteerd. Voor de diverse koellichamen wordt de thermische weerstand door de fabrikant opgegeven, die neemt op groter hoogte toe. 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. Rekenvoorbeeld Een berekening van de maximale warmteweerstand (koelplaat-omgeving). (sperlaag) = 160 C (omgeving) = max 40 C = 8 Watt (behuizing - koellichaam) = 3 C/W (sperlaag-behuizing) = 4 C/W, dan C / W