Transistor

Denne artikel handler om elektronikkomponenter. For transistor i betydningen radiomodtager, se transistorradio
Nutidige silicium-baserede transistorer i forskellige huse; fra venstre mod højre: TO-92, TO-18, TO-5/TO-39, TO-220 og TO-202. "TO" står for transistor outline.
Ældre germanium-baserede punkt-kontakt transistorer mest med typenumre, der starter med OC. Produktionen af disse foregik med mange manuelle produktionstrin.[1]
Effekttransistor i et større hus benævnt TO-3 og med Pro Electron produktkoden BD182.
To silicium transistor-chips (ca. 1*1 mm) i samme hus. Husnavnet er enten TO39 eller TO5. Stregerne foroven er en millimeterskala. Bonding-ledningerne fra chip til tilledninger er sikkert lavet af guld. I dag er næsten alle bonding-ledninger lavet af aluminium, da det er billigere. Chips anvendt i skibsudstyr skal helst have bonding-ledninger af guld, da aluminiumsledninger efter et stykke tid bliver korroderet af salt fra havets skumsprøjt.

En transistor er en elektronisk halvlederkomponent til styring af for det meste lave elektriske spændinger og strømme. Det er en elektrisk modstand, der kan ændres af en påført elektrisk spænding eller elektrisk strøm. Driftsmåden for en transistor ligner den for et tilsvarende elektronrør, nemlig en triode.

Transistorer er langt de vigtigste komponenter i elektroniske kredsløb, der blandt andet bruges i kommunikationsteknik, energistyring og computersystemer. Transistorer – mest som tænd/sluk-kontakter – er af særlig betydning i integrerede kredsløb, hvilket er det, der gør udbredt mikroelektronik mulig.

Udtrykket "transistor" er et portmanteau af de to engelske ord transfer resistor.

Generelt

En transistor er en elektronisk komponent lavet af en halvleder og med mindst 3 tilledninger. Den enkelte transistor kan være indlejret i en lille mikrochip på fx 1 mm x 1 mm. Transistorens mikrochip pakkes ind i et lille hus med rumfangsdimensioner på typisk 2 mm (hus SOT23-3) til 4 cm (hus TO-3). Flere transistorer kan også indlejres i samme mikrochip, som kaldes et integreret kredsløb (IC).

Som andre halvlederkomponenter er transistoren indlejret i en mikrochip af et halvledermateriale; et materiale med elektriske egenskaber i "gråzonen" mellem de elektriske ledere og isolatorer – ældre transistorchips er oftest lavet med germanium, mens man i dag hovedsageligt bruger silicium til formålet.

På illustrationerne ses forskellige typer såkaldt diskrete transistorer, hvor hvert hus indeholder én transistor. Som det ses på illustrationerne ovenfor til højre, har transistorer almindeligvis tre tilledninger, eller ben som de kaldes i fagterminologien: Et af benene, typisk kaldet basis eller gate, tager imod det svage signal der skal "styre" transistoren; den strøm eller spænding der findes her, afgør hvor meget strøm transistoren "lader slippe" ind og ud gennem de to andre tilledninger.

Opfindelse

En replikation af verdens første fungerende transistor lavet i Bell Laboratorierne.

Den halvlederbaserede forstærkertrintransistor blev opfundet i december 1947 af John Bardeen, Walter Houser Brattain og William Bradford Shockley i Bell Laboratorierne, men opfindelsen/opdagelsen blev først offentliggjort i juni 1948.[2][3][4]

Man forsøgte at lave forstærkende komponenter (fx elektronrør) i faststof mellem ca. 1930-1947, men uden større succes.[5][6] Men den 17. november 1947 lavede John Bardeen og Walter Brattain fra Bell Laboratory nogle overflademålinger på et rent germaniumkrystal, som er en halvleder, og opdagede, at to elektroder, med en indbyrdes afstand på langt under en mm, havde en kraftig indbyrdes strømindvirkning – i forhold til den fælles elektrode; bagsiden af krystallet – basen.

Andre forstærkende eller transistorlignende opdagelser

Det vides ikke om dr. Julius Edgar Lilienfeld byggede sine patenterede "metode og apparat til at kontrollere elektrisk strøm": "MESFET" ( US Patent 1,745,175) i 1926/1930; "MOSFET" ( US Patent 1,900,018) i 1928/1933 og en forstærker ( US Patent 1,877,140).[7] [8]

Transistorproduktion

Fra 1947 til ca. 1960 (ikke tjekket) blev transistorerne håndlavet og var derfor dyre. Datidens transistorer vil med dagens priser koste ca. 1000 kr/stk.

Fra ca. 1960 (ikke tjekket) til nu anvendes litografi til masseproduktion af transistorer. Fra ca. 1970 (ikke tjekket) blev også ledningerne (bonding wire) mellem halvlederchippen og tilledningerne automatisk placeret og svejset med ultralyd. I dag (2003) kan transistorer købes for under 1 kr/stk.

I chips (integrerede kredsløb, IC'er) bliver transistorerne endnu billigere: En Intel Pentium 4 Northwood har 55 millioner transistorer[9] i chippen og 2 GHz-udgaven kan købes for 660 kr. (2003). Prisen per transistor er her: 0,000012 kr.

Transistortyper

NPN:N-channels:
PNP:P-channels:
BJTJFETdepletion IGFETenhancement IGFET
Transistorsymboler for BJT, JFET og IGFET (f.eks. MOSFET)

Der findes en række forskellige typer transistorer. De mest udbredte er felteffekttransistoren (FET, Field Effect Transistor) og den bipolare transistor (BJT, Bipolar Junction Transistor). Den bipolare transistor var den mest udbredte ind til midten af 1970'erne, da den er mindre krævende at fremstille end felteffekttransistoren, som dog i dag i antal er mere udbredt end den bipolare transistor.

Herudover findes der den ikke særligt kendte og udbredte unijunction-transistor (UJT).

Visse tyristorer, der både kan tændes og slukkes fra en gate, er "digitale" transistorer; fx Emitter turn-off tyristor (ETO) og Gate turn-off tyristor (GTO).[10]

En transistortype, som måske ikke er en selvstændig type, er IGBT (eng. Insulated Gate Bipolar Transistor). Den kan bedst beskrives som en sammenbygning af en bipolar transistor og en MOSFET. Den bliver stort set kun anvendt til højeffektanvendelser.

Funktion

Ligesom de gamle radiorør, er en transistors opgave at lade et svagt elektrisk signal "regulere" en mange gange større strøm eller spænding, sådan at der kommer en forstærket "kopi" af det svage signal ud i den anden ende af transistoren.

I analoge kredsløb, for eksempel et forstærkertrin, kan man groft sagt sammenligne transistoren med en lysdæmper; transistoren skal bare have et lille elektrisk signal i stedet for en drejeknap, til at "fortælle" den hvor meget strøm der skal "slippe igennem". Tilsvarende kan man i digital elektronik sammenligne transistoren med en almindelig lyskontakt; i stedet for en trykknap skal transistoren blot have et elektrisk signal, der fortæller den om den skal være "tændt" eller "slukket".

Hvordan virker en bipolar transistor i praksis

En germaniumbaseret transistor med typenummeret OC44. Stregerne foroven er en millimeterskala. Transistoren er sandsynligvis håndlavet. Den blev anvendt i årene ca. 1956-1960 og bl.a. fremstillet af firmaet Mullard.[11][12] Den "skyede" masse som ses på transistorpladen og som huset var fyldt med, er silikonefedt.[13]

Strømstyring

I den mest anvendte bipolare transistorkobling; fælles emitterkobling anvendes strømstyring af input (Ib), da strømmen Ic næsten er en konstant faktor af Ib. Fordi Ic/Ib næsten er konstant for varierende Ib, har man givet den et navn: Strømforstærkningsfaktoren og benævnelsen beta, Hfe eller hFE. Den er nogenlunde konstant overfor Tchip ændringer ved Vce > 1 V. Typisk er Hfe i følgende interval for laveffekt småsignal transistorer: 10 < Hfe < 800.

Det skal bemærkes, at det er hældningen ΔIc/ΔIb, som er mest interessant i signalforstærkere.

Hvorfor er det interessant med strømforstærkning?

Det er det fordi vi er interesseret i at forstærke signaler. Det at forstærke vil sige at gange med en fast faktor, uafhængig af input-signalets styrke. F.eks. er spændingen mellem en svag og stærk radiokanal 7,5 uV og 75mV på en radioantenne ved en belastning på 75 Ohm. Via Ohms lov kan vi regne strømmen ud til at være mellem 0,1uA og 1mA. Skal vi lytte til lyden fra en radiokanal, skal vi strømforstærke mellem 1.000.000 og 100 gange, for at vi kan høre radiokanalen i højttaleren. Her forudsættes en strøm på 100mA i en højttaler på f.eks. 8 Ohm.

En transistor i fælles-emitter kobling i det lineare arbejdsområde fungerer tilnærmelsesvis som en strømstyret strømgenerator.

Kilder/referencer

  1. ^ thevalvepage.com: Manufacture of Junction Transistors, backup
  2. ^ PBS: The Miracle Month: The Invention of the First Transistor, November 17-December 23, 1947, backup
  3. ^ This Month in Physics History – November 17 – December 23, 1947: Invention of the First Transistor, backup
  4. ^ The Discovery of the Transistor
  5. ^ nutsvolts.com: The Story of the Transistor Citat: "...However, behind this story of invention is one of collaborative genius, serendipitous mishaps, clashing egos, and secret research...Oleg Losev (or Lossev) was a Russian scientist who made significant discoveries in the field of semiconductor junctions in the 1920s. He observed light emission from silicon carbide point-contact junctions, which was essentially the first light emitting diode (LED)...In 1923, Losev began studying these oscillating crystals. He discovered that biased zinc oxide crystals could amplify a signal. Losev was the first to exploit negative resistance diodes and he realized that they might serve as simpler alternatives to vacuum tubes. He used these diodes to build solid-state versions of amplifiers, oscillators, and regenerative radio receivers at frequencies up to 5 MHz. This was 25 years before the transistor!...In another effort to replace tubes with solid-state devices, Julius Lilienfeld filed a patent in 1926 for a “Method and Apparatus for Controlling Electric Currents”...In 1936, Mervin Kelly — now research director at Bell Labs — decided to establish a department to study solid-state physics in the hope of producing a replacement for the vacuum tube from semiconducting materials...It was here that Russell Ohl discovered the first P-N junction when he accidentally cut a section of silicon ingot across the boundary between the P and N regions...", backup
  6. ^ technologyreview.com: No P-N Intended. A cracked crystal launched the silicon revolution Citat: "...Early in 1940 Ohl examined a silicon sample that had a crack down its middle. Something was strange about that crystal: when it was exposed to light, the current flowing between the two sides of the crack jumped significantly. Baffled, Ohl showed the bizarre sample to his Bell colleagues, who were equally amazed. No one had ever seen a photovoltaic reaction like it...", backup
  7. ^ Web archive backup: Julius Edgar Lilienfeld
  8. ^ "about.com: Inventors Dr. Julius Edgar Lilienfeld". Arkiveret fra originalen 20. juni 2020. Hentet 18. september 2004.
  9. ^ cpuscorecard.com: Intel Pentium 4 Northwood, backup
  10. ^ site.uottawa.ca: ELG4139: Power Diodes and Power Transistors Se side pdf-side 14.
  11. ^ Webarchive backup: Perdio Transistor
  12. ^ Webarchive backup: History of Radio 3. From Valves to Transistors
  13. ^ sites.google.com: Copyright Mark P D Burgess 2009: History of Philips’ Semiconductors in the 1950s Citat: "...It [Philips] developed an all glass hermetic seal using silicone grease to protect the active elements and improve heat transfer...", backup

Se også

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commons har medier relateret til:


Medier brugt på denne side

An old germanium transistorchip OC44.jpg
Forfatter/Opretter: No machine-readable author provided. Glenn assumed (based on copyright claims)., Licens: CC BY-SA 3.0

An old germanium based bipolar transistor, with the type designation OC44, with a view to the point contact chip. There was some silicone grease removed so the chip could be seen. A little of the silicone grease are still visible. (source: https://web.archive.org/web/20230107102751/https://sites.google.com/site/transistorhistory/Home/european-semiconductor-manufacturers/philips?pli=1 Quote: "...It [Philips] developed an all glass hermetic seal using silicone grease to protect the active elements and improve heat transfer...") The rectangular plate are the base in both senses. It is the actual base of the point contact transistor - and in the second sense it the terminal base. The front of the chip has a junction and on the back the chip has a second junction, that is why it is called a bipolar junction transistor - or short BJT. Today in modern bipolar silicium based planar transistors, the base terminal is not the physical base. Modern chips do not have visible junctions, the junctions are there, but they are below the surface of the transistorchip.

The black lines at the top are a millimeter scale.
Bipolar transistors Silicium based.jpg
Forfatter/Opretter: No machine-readable author provided. Glenn assumed (based on copyright claims)., Licens: CC BY-SA 3.0
Bipolar transistors from about 1990's. From left; first two are low-power; the last three are able to transduce higher power with the right heat sinks.
BD182 RCA NPN silicon power transistor.jpg
Forfatter/Opretter: Glenn, Licens: CC BY-SA 4.0
NPN silicon power transistor
JFET symbol P.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
JFET symbol N.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
Replica-of-first-transistor.jpg
In 1997 Lucent Technologies created this replica to commemorate the 50th anniversary of the invention of the point-contact transistor at Bell Labs in December 1947.
IGFET symbol N enh.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
IGFET symbol P enh.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
Two bipolar transistorchips in a house.jpg
Forfatter/Opretter: No machine-readable author provided. Glenn assumed (based on copyright claims)., Licens: CC BY-SA 3.0

The image shows the transistor chips themselves - 1 by 1 mm. The lines at the top are millimeter spaced. The house they are in are TO39 or TO5 like.

Pay attention to the four small bonding wires that are welded on the chips and on the terminals glued in the red-blackish matter. The two small rectangular plates where the chips are placed, are normally the collector terminals.
IGFET symbol P dep.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
IGFET symbol N dep.png
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0