Wat is een transistor en waarvoor wordt hij gebruikt: soorten, geschiedenis en toepassingen

Digitale informatie » Bronnen » Wat is een transistor en waarvoor wordt deze gebruikt: typen, geschiedenis en toepassingen

Als je tegenwoordig een mobiele telefoon in je zak hebt, naar muziek luistert op een compacte stereo-installatie of verbinding maakt met internet via een ultradunne computer , dan is dat te danken aan een kleine maar krachtige uitvinding: de transistor. Sinds zijn ontstaan ​​eind jaren 40 heeft dit halfgeleidercomponent de miniaturisatie en de rekenkracht van moderne elektronica mogelijk gemaakt. In dit artikel leggen we in detail uit wat een transistor is en waarvoor hij wordt gebruikt , hoe hij intern werkt, welke verschillende typen er zijn, welke parameters er echt toe doen en waarom zijn geschiedenis een keerpunt in de technologie markeerde.

Hoewel de basisdefinitie in één zin kan worden samengevat, is het toepassingsgebied enorm: een transistor regelt of wijzigt de stroom tussen twee aansluitingen als reactie op een signaal dat op een derde aansluiting wordt aangelegd. Daarom fungeert hij als versterker , schakelaar , oscillator of zelfs gelijkrichter in toepassingen die variëren van een luidspreker voor thuisgebruik tot een medische scanner. Laten we het stap voor stap bekijken.

Wat is een transistor?

Het woord transistor komt van de Engelse uitdrukking "transfer resistor " (overdrachtsweerstand). In de praktijk is het een halfgeleidercomponent met minstens drie aansluitingen die, afhankelijk van wat er bij de derde aansluiting gebeurt, meer of minder stroom tussen twee willekeurige aansluitingen kunnen doorlaten. Deze controle over de stroom of geleidbaarheid van het kanaal maakt het mogelijk om zwakke signalen te versterken of als een zeer snelle schakelaar te fungeren.

In zijn klassieke vorm heeft de bipolaire junctietransistor (BJT) een emitter, basis en collector . Een kleine stroom die door de basis binnenkomt, regelt een veel grotere stroom tussen de emitter en de collector. Bij veldeffecttransistoren (FET's) wordt de aansturing bereikt door een spanning op de gate aan te leggen, waardoor de geleidbaarheid van een kanaal tussen de source en de drain met een zeer hoge ingangsimpedantie wordt gemoduleerd.

Ze worden voornamelijk gemaakt van silicium , hoewel ze ook bestaan ​​in germanium, galliumarsenide (GaAs) of silicium-germaniumlegeringen. Ze worden massaal verwerkt in geïntegreerde schakelingen (microchips) of verpakt als afzonderlijke componenten. Hun verpakking is meestal hermetisch afgesloten , met een plastic of metalen omhulsel en drie pinnen, en ze vormen het basisactieve element van vrijwel alle moderne elektronica.

Een beetje essentiële geschiedenis

De droom om stromen in halfgeleidercircuits te regelen bestond al voordat deze industrieel werd gerealiseerd. In 1925 registreerde Julius Edgar Lilienfeld patenten in Canada en later in de VS voor apparaten die een voorbode waren van de FET, maar de halfgeleidermaterialen misten de noodzakelijke kwaliteit voor praktische toepassing. In 1934 patenteerde Oskar Heil iets soortgelijks in Europa, en experimenten met kristallen namen toe. Toch duurde het tot 1947 voordat John Bardeen en Walter Brattain, van Bell Laboratories, signaalversterking waarnamen met twee gouden uiteinden op een germaniumkristal.

In de maanden die volgden, verdiepte William Shockley zich verder in de halfgeleiderfysica en stelde hij de bipolaire junctietransistor voor , waarvoor in 1948 de eerste patentaanvraag werd ingediend. Datzelfde jaar ontwikkelden Herbert Mataré en Heinrich Welker in Frankrijk onafhankelijk van elkaar de "transistor" voor het telefoonnetwerk. Kort daarna, in 1953, presenteerde Philco de eerste hoogfrequente transistor (tot 60 MHz), en in 1954 werd de eerste operationele siliciumtransistor gerealiseerd bij Bell Labs (Morris Tanenbaum), met het eerste commerciële model geproduceerd door Texas Instruments (Gordon Teal).

De volgende grote revolutie was de MOSFET , gebouwd in 1960 door Dawon Kahng en Martin Atalla, die cruciaal was voor de integratie van miljoenen transistors per vierkante centimeter. Ter erkenning van deze mijlpaal ontvingen Shockley, Bardeen en Brattain in 1956 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun onderzoek en de ontdekking van het transistoreffect. Sindsdien heeft de elektronica een explosieve groei doorgemaakt in de geschiedenis van de computer : van draagbare radio's tot computers, en omvat nu ook telecommunicatie en geneeskunde.

Structuur, signalen en hoe een BJT werkt

Een BJT bestaat uit drie gedoteerde gebieden die twee PN-overgangen vormen : emitter, basis en collector. Ze zijn geconstrueerd als NPN of PNP (de middelste letter geeft het basistype aan), en de dotering van elk gebied wordt zorgvuldig gecontroleerd: doorgaans is de emitter sterker gedoteerd dan de collector. Tijdens bedrijf is de collectorstroom ongeveer evenredig met de basisstroom, bepaald door de bèta (β) parameter , oftewel de stroomversterking.

Tussen de basis en de emitter gedraagt ​​de diode zich als een in voorwaartse richting voorgespannen diode , met een typische V _{_BE} -spanning van 0,6–0,8 V in silicium en ~0,4 V in germanium. Deze diode maakt de basis tot de stuurinrichting die de stroom van ladingsdragers van de emitter naar de collector opent of sluit. Conceptueel gezien regelt de basis een "tap" van elektronen of gaten, zodat een kleine stuurstroom een ​​grotere stroom aan de uitgang kan aansturen.

Bedrijfsmodi: actief, afgesneden en verzadiging

De transistor kan in het actieve gebied functioneren als een lineaire versterker , waar hij stroom doorlaat die evenredig is met de basisbekrachtiging. Als de basis onvoldoende bekrachtiging ontvangt, schakelt het apparaat uit en geleidt het niet. Bij een hoge bekrachtiging raakt de transistor verzadigd en laat hij de maximale stroom door die het circuit toelaat. Deze veelzijdigheid maakt hem geschikt als snelle schakelaar of als versterker voor zwakke signalen.

NPN versus PNP in een notendop

Bij een NPN-transistor stromen elektronen doorgaans van de collector naar de emitter , en het apparaat wordt geactiveerd door de basisstroom te verhogen met een positieve referentiespanning; bij een PNP-transistor is de praktische richting omgekeerd (emitter naar collector), en de biaslogica is complementair, waardoor symmetrische configuraties mogelijk zijn in veel analoge of schakelende trappen.

Soorten transistoren die u tegenkomt

De familie is breed, maar ze delen allemaal hetzelfde basisprincipe van het regelen van de elektrische stroom. Dit zijn de meest voorkomende , samen met enkele historische voorbeelden die het vermelden waard zijn:

• Tijdig contactDe pionier (1947), met twee germaniumpunten. Moeilijk te vervaardigen, kwetsbaar en lawaaierig, maar hij toonde voor het eerst zijn nut. Tegenwoordig is hij een museumstuk.
• Bipolaire junctietransistor (BJT)De klassieke NPN/PNP-transistor op een enkel halfgeleiderkristal, gedoteerd met donorverontreinigingen (arseen, fosfor) of acceptorverontreinigingen (aluminium, indium, gallium). Het is een stroomgestuurd apparaat.
• Veldeffecttransistoren (FET's): JFET (junction gate PN), IGFET en MOSFET (deur geïsoleerd tegen roest). Ze zijn spanningsgestuurd, met een zeer hoge ingangsimpedantie; hoeksteen van grootschalige integratie.
• Fototransistoren: lichtgevoelig, waarbij de verlichting als basisstroom fungeert; perfect voor detectie op afstand door elektromagnetische straling.
• IGBT: geïsoleerde bipolaire poort, veel gebruikt in macht door de voordelen van BJT en MOSFET te combineren.
• Darlington-paarTwee geschakelde BJT's in hetzelfde pakket verhogen de wereldwijde winst.

Parameters en materialen die het verschil maken

Bij de keuze van een transistor is niet alleen het type van belang; ook de elektrische parameters zijn cruciaal : doorslagspanningen (collector-emitter, basis-emitter, collector-basis), maximaal vermogen, warmteafvoer, werkfrequentie , β (transformatie-emitter β) en interne dynamische weerstanden. Bij kleine-signaal BJT's ligt β doorgaans tussen de 100 en 300. De VBE _{(transformatie-} emitterspanning) neemt in silicium af met de temperatuur met ongeveer -2,1 mV/°C , waardoor sommige ontwerpen thermische sensoren of compensatiemechanismen bevatten.

Het materiaal is ook van belang: germanium biedt een hogere mobiliteit dan silicium, maar de lekstroom en de toelaatbare temperatuur zijn slechter; silicium domineert vanwege zijn robuustheid en eenvoudige fabricage; GaAs blinkt uit bij hoge frequenties dankzij zijn elektronische mobiliteit. Apparaten zoals HEMT's , met extreem lage ruis en hoge snelheid, zijn gebouwd op GaAs/AlGaAs en worden gebruikt in satellietontvangers rond 12 GHz en, met nitriden, in de volgende generatie energie-toepassingen.

Een andere nuttige manier om een ​​BJT te visualiseren is het Ebers-Moll -model : twee diodes, een in voorwaartse richting voorgespannen basis-emitter en een in omgekeerde richting voorgespannen basis-collector. Dit helpt te begrijpen waarom een ​​typische VBE (0,6-0,8 V Si) verschijnt _en hoe deze zich buiten het lineaire gebied gedraagt. In JFET's en MOSFET's is de gate-spanning dominant: het negatiever maken van de gate in een JFET-GS vernauwt het kanaal; in MOSFET's trekt de gate idealiter geen gelijkstroom en regelt het signaal de kanaalgeleiding tussen source en drain.

Meest gebruikte versterkerconfiguraties

Bij BJT's wordt vaak gedacht in termen van drie klassieke topologieën. Elk daarvan optimaliseert een andere eigenschap (spanning, stroom of impedantie), en daarom worden ze nog steeds in alle boeken en projecten gebruikt.

• gemeenschappelijke emitterSpannings- en stroomversterking, met fase-inversie; het is het werkpaard. Een emitterweerstand stabiliseert En als het met een condensator wordt overbrugd, wordt de AC-versterking hersteld.
• Gemeenschappelijke verzamelaar (emittervolger): spanningsversterking dichtbij 1, hoge ingangsimpedantie en lage output; ideaal als impedantieadapter.
• Gemeenschappelijke basis: huidige versterking, zonder fase-inversie en zeer lage ingangsimpedantieHet blinkt uit bij signaalbronnen met een lage impedantie, zoals dynamische microfoons in bepaalde opstellingen.

Een praktisch voorbeeld (gepolariseerde gemeenschappelijke emitter met deler)

Stel je voor dat je een podium ontwerpt met V_CC=20 V, ik_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V en β=100. Als je de emitterspanning instelt op ongeveer 1/10 V_CC (2 V), je krijgt R_E≈200 ΩDe daling van R_C zou V zijn_RC=V_CCV_CEV_E=10 V, met I_C=10 mA, dan R_C=1 kΩDe basis blijft op V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Als je de deler dimensioneert met een stroom die ongeveer tien keer zo groot is als de basisstroom, krijg je R₂≤ 2 kΩ en, in verhouding tot V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Voor kleine signalen is de dynamische weerstand van de interne emitter (r _{_e}) bij 10 mA ongeveer 26 mV/I ≈ 2,6 Ω, wat een benaderde ideale spanningsversterking A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385 oplevert. Met een belasting van 5 kΩ op de collector is de effectieve uitgangsimpedantie ongeveer 830 Ω en daalt de versterking tot ongeveer −319. De impedantie gezien aan de basis is r _{_e} · β ≈ 260 Ω, en de totale ingangsimpedantie, rekening houdend met de spanningsdeler en de basis parallel geschakeld, is ongeveer 226 Ω. De koppel- en emittercondensatoren zijn zo gekozen dat hun reactantie verwaarloosbaar is binnen het werkingsgebied.

Dit voorbeeld vat het concept van de belastingslijn en het Q-punt samen : je kiest een rustpunt (vaak VCE _{≈ VCC} / 2 zonder RE ₎ dat een symmetrische signaaluitslag toelaat. Van daaruit pas je de versterking, impedantie en stabiliteit aan de toepassing aan_.

FET en MOSFET: spanningsregeling

Bij FET's is er geen basisstroom in de strikte zin van het woord, maar een poortspanning die de kanaalbreedte regelt. De basis-JFET bestaat uit een staaf van N-type of P-type materiaal, met ohmse contacten aan de uiteinden (drain en source) en twee diffuse gebieden die de poort vormen. Naarmate de poortspanning negatiever wordt (in een N-type JFET), versmalt het kanaal en stopt de geleiding.

De MOSFET daarentegen isoleert de gate met een oxide-diëlektricum en bereikt een enorm hoge ingangsimpedantie. Dit, in combinatie met het productieproces dat compatibel is met integratie, verklaart waarom het de koning van de moderne chip is en waarom het generaties processoren heeft voortgedreven : het maakt de integratie mogelijk van honderdduizenden tot miljarden onderling verbonden transistors per vierkante centimeter in meerdere lagen.

Praktische toepassingen: van dagelijks leven tot industrie

Het is onmogelijk om ze allemaal op te sommen, maar het is de moeite waard om de meest representatieve te onthouden. Als versterkers versterken transistors signalen in radio's, televisies en audioapparatuur. Als schakelaars besturen ze schakelende voedingen, motorcontrollers en verlichtingssystemen. In oscillatoren genereren ze radiofrequentiesignalen voor communicatie. En natuurlijk vormen ze de basis van geïntegreerde schakelingen in computers, smartphones en allerlei digitale apparaten.

In de professionele wereld spelen ze een cruciale rol in de telecommunicatie , medische elektronica, industriële automatisering en robotica. Hun vermogen om kleinere, efficiëntere circuits te creëren heeft het productontwerp en de -productie getransformeerd, wat heeft geleid tot draagbaardere, krachtigere en energiezuinigere apparatuur.

Voordelen ten opzichte van thermidionkleppen (en waarom ze soms nog steeds worden gebruikt)

Vóór de komst van transistors waren vacuümbuizen de absolute heersers. Maar ze vereisten gevaarlijk hoge spanningen , verbruikten veel energie, waren omvangrijk en zwaar (chassis en transformatoren), waren gevoeliger voor storingen door oververhitting en hadden een lange tijd nodig om de bedrijfstemperatuur te bereiken vanwege de gloeidraadverwarming. Bovendien hadden ze last van microfonie en werkten ze met een hoge impedantie . Transistors boden vanaf het begin een laag energieverbruik, lage spanning, compactheid, robuustheid en lagere kosten.

Een historisch feit illustreert het verschil: de ENIAC, een van de eerste digitale computers, woog meer dan 30 ton en verbruikte ongeveer 200 kW om zo'n 18.000 vacuümbuizen van stroom te voorzien, met dagelijkse storingen. Desondanks bleven vacuümbuizen in specifieke niches bestaan: sommige krachtige radio- of audioversterkers (vanwege hun hoge lineariteit en de aard van hun harmonischen), apparatuur die bestand was tegen elektromagnetische pulsen en toepassingen met extreem hoog vermogen. Na verloop van tijd veroverde halfgeleiderelektronica ook veel van deze gebieden.

Constructiekenmerken en details

Een discrete transistor is in principe een afgesloten halfgeleidercomponent met drie zichtbare aansluitingen. Hij kan in verschillende configuraties worden opgebouwd om te functioneren als versterker, schakelaar, oscillator of gelijkrichter . Silicium heeft in veel ontwerpen de voorkeur vanwege zijn thermische eigenschappen en lekstroom, maar er bestaan ​​ook germanium- en samengestelde transistorfamilies voor specifieke taken, zoals microgolf- of zeer snelle toepassingen.

Bij bipolaire transistoren (BJT's) neemt de voorwaartse junctiespanning af naarmate de temperatuur stijgt en kunnen lekstromen toenemen. Daarom zijn warmteafvoer en de keuze van het maximale vermogen cruciaal. Bij vermogens-FET's kunnen tijdens het fabricageproces parasitaire diodes ontstaan ​​(zoals de Schottky-diode tussen source en drain), iets waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van het circuit.

Snelle vergelijking van materialen

Als je je afvraagt ​​waarom sommige materialen sneller zijn dan andere, kijk dan eens naar de mobiliteit van elektronen en gaten . Ge heeft een hoge mobiliteit, maar een lagere maximale temperatuur, een grotere lekstroom en een lagere tolerantie voor hoge spanningen ; Si biedt een uitstekende balans en typische junctietemperaturen van 150-200 °C; GaAs legt de lat hoger bij hoge frequenties, hoewel de fabricage ervan veeleisender is. Daarom is elk materiaal superieur in zijn respectievelijke segment.

Digitaal gebruik: van de perfecte overstap naar logica

Bij digitale schakelingen werkt een transistor door af te wisselen tussen de sperstand en de verzadigingsstand , waar hij zich idealiter gedraagt ​​als een open of gesloten circuit. Deze schakelsnelheid en het lage stroomverbruik maken logische poorten en het binaire systeem mogelijk , en in cascadeschakeling ook CPU's en geheugens. Met MOSFET's en CMOS-technologie is het statische stroomverbruik extreem laag, omdat de gate geen gelijkstroom geleidt en er alleen stroom wordt verbruikt tijdens overgangen.

Praktische voordelen bij installaties en apparaten

Transistors bieden voor dagelijks gebruik kleine afmetingen (waardoor apparatuur gemakkelijker te transporteren en te integreren is), een lange levensduur (waardoor minder onderhoud nodig is), snelheid (essentieel in processors en communicatie), lage kosten (waardoor de systeemkosten dalen) en energie-efficiëntie (minimale verliezen). In een huis telt elk klein beetje: van stabiele, gereguleerde voedingen tot automatisering en energiebesparing.

Veelgestelde vragen die beantwoord moeten worden

Wordt een transistor alleen gebruikt voor versterking? Nee. Het is ook een ultrastille en ultrasnelle schakelaar , een bouwsteen van logische schakelingen, een lichtdetector (fototransistor) of onderdeel van een oscillator . Zijn veelzijdigheid is zijn grootste voordeel.

In welke sectoren is het tegenwoordig cruciaal? Vrijwel in alle sectoren: telecommunicatie en netwerken , medische apparatuur, de auto-industrie, energie, de maakindustrie en consumentenelektronica. De combinatie van vermogen, miniaturisatie en controle heeft de impact ervan enorm vergroot.

Waarom spreken sommige mensen over "aan/uit"? Het is een informele manier om te verwijzen naar de toestanden van afgesloten (uit) en geleidend (actief of verzadigd). In de praktijk zijn dit de logische posities die het mogelijk maken om de stroomtoevoer aan of uit te schakelen .

Ruim zeventig jaar na zijn geboorte vormt de transistor nog steeds het hart van de elektronica: van het eerste puntcontact op germanium tot de nieuwste generatie MOSFET's zijn er duizenden mijlpalen bereikt, maar het centrale idee is onveranderd gebleven: de stroom van elektriciteit nauwkeurig regelen om sterkere, zuiverdere signalen of betrouwbare logica te creëren in steeds kleinere ruimtes.

Gerelateerd artikel:

Wat zijn digitale systemen: een essentiële introductie tot het begrijpen van technologie