Geschiedenis

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, 1948.
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
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
1954. 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 NPN-
Bipolaire PNP-
transistor
transistor
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-
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
het symbool β ( = Ic/Ib) of Hfe 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).
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.
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
worden gebracht. De vereiste
in rekening
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 50 × 50 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