Transistor
Transistor är en halvledare som används som signalförstärkare, strömbrytare, spänningsregulator och som grundkomponent i diverse andra applikationer. När den kom, så ersatte den till stor del rören, eftersom den inte är mekaniskt känslig och därför kan användas i tuffare miljöer än elektronrör - och transistorn är dessutom betydligt mindre i både storlek och effektförbrukning. Transistorn finns både som enskilda komponenter och inbyggda som delar i integrerade kretsar.
Innehåll
Tekniskt
Man delar upp transistorerna i två huvudtyper; bipolära transistorer baserade på PN-övergångar (NPN eller PNP polaritet) samt unipolära fälteffekttransistorer (N-kanal eller P-kanal) med undergrupperna utarmningstyp och anrikningstyp.
En PN-övergång bildas där n-dopade och p-dopade halvledare kommer i kontakt. Termen övergång syftar på området där de olika halvledartyperna möts. Den kan betraktas som gränsområde mellan de n- och p-dopade områdena i bilden.
PN-övergångar har några intressanta egenskaper som har användbara tillämpningar i modern elektronik. P-dopade halvledare är relativt konduktiva och detsamma gäller för N-dopade dito, men övergången mellan dem är icke-konduktiv. Detta icke-konduktiva områden kallas spärrskikt och uppstår för att de elektriska laddningsbärarna i de P- och N-dopade halvledarna (hål respektive elektroner) attraherar och eliminerar varandra i en process som kallas rekombination. Genom att manipulera spärrskiktet kan man få PN-övergången att fungera som en diod.
En transistor har vanligen tre anslutningar (elektroder) som, grovt förenklat, tillåter en spänning eller ström på en av anslutningarna att styra strömflödet genom de två andra. Man kan också se det som att det är en resistans som kan påverkas av en elektrisk ström eller spänning. De fysikaliska processerna bakom denna så kallade transistoreffekt är mycket skilda hos de två transistortyperna, vilket återspeglas i deras symboler.
Transistorn är en nyckelkomponent inom modern elektronik. I digitala kretsar verkar flera sammankopplade transistorer som snabba omkopplare och bygger därigenom upp till exempel logiska grindar och RAM-minnen. I analoga kretsar används transistorer för linjära eller icke linjära förstärkare samt för många andra (mestadels) kontinuerliga funktioner som byggs upp tillsammans med passiva komponenter.
Ordet transistor är en sammandragning av transfer-resistor (ung. "överförings-motstånd"). Transistorn liknades alltså vid ett slags styrbart motstånd med kontrollerbar resistans vilket var en träffande liknelse - för fälteffekt-transistorer, dock användes termen främst i samband med beskrivningen av den första bipolära transistorn, spetstransistorn.
Schematiska symboler
- Olika transistorsymboler
PNP-transistor
NPN-transistor
JFET N-kanal transistor
JFET P-kanal transistor
Historia
Transistorn uppfanns 1947 av tre forskare vid Bell Laboratories i USA, John Bardeen, Walter H. Brattain och William B. Shockley, som erhöll nobelpriset i fysik för detta 1956. Transistorn kom snart att ersätta det betydligt större och mer effektkrävande elektronröret. De tekniska landvinningarna inom transistortillverkningen ledde i mitten av 1960-talet till integrerade kretsar.
Inflytande
Transistorn anses av många vara en av de största uppfinningarna i modern historia, i samma klass som boktryckarkonsten, bilen, och telefonen. Transistorer är nyckelkomponenter i nästan all modern elektronik. Den stora användningen av transistorer beror på att de är billiga att masstillverka genom automatiserade processer som driver ner kostnaden av en enskild transistor till nästan ingenting.
Trots att diskreta (det vill säga separata) transistorer masstillverkas så är en överväldigande mängd av transistorer i integrerad form, på integrerade kretsar. I kombination med främst dioder och resistorer, men även kondensatorer och andra komponenter, bildar de färdiga elektroniska kretsar. En logik-grind brukar består av mellan två och tiotalet transistorer (beroende på typ, teknologi, och sammanhang). En enklare mikroprocessor kan göras med ca 2500 transistorer medan en avancerad processor år 2008 kan ha nästan 1 miljard transistorer inklusive integrerade cacheminnen (som utgör merparten transistorer).
Transistorns låga kostnad, och därigenom datorernas låga kostnad, har skapat en trend där information digitaliseras i en ökande takt. Eftersom datorer har förmågan att snabbt söka igenom, sortera, och behandla digital information läggs mer och mer anstränging ner på att göra information tillgänglig direkt i digital form. Mycket media levereras idag direkt i digital form (musik på CD, film på DVD) för att sedan omvandlas till analog form med hjälp av datorer och DA-omvandlare.
Transistortyper
Utöver de två typerna av transistorer som nämndes ovan kan man även kategorisera transistorer baserat på bland annat:
- Halvledarmaterial: Germanium, Kisel, Galliumarsenid, Kiselkarbid, Indiumfosfid
- Polaritet: NPN, PNP, P-channel, N-channel
- Maximaleffekt: småsignal-, högeffektstransistorer
- Tillämpningsområde: switch, audio, digitallogik, högspänning
Småsignaltransistorn kan vara optimerad för lågt brus och/eller hög frekvens. Switchtransistorerna skall vara snabba och ha lågt bottenspänningsfall. Effekttransistorn skall, som namnet anger, klara effekt, ofta i kombination med andra egenskaper som hög ström- och spänningstålighet.
Polaritet
Såväl bipolära som fälteffekttransistorer görs i komplementära utföranden, så kallade polariteter, som är varandras spegelbild, det vill säga att strömmar och spänningar har motsatta tecken. De bipolära utförandena kallas NPN och PNP, och fälteffekttransistorerna N-kanal och P-kanal. Fälteffekttransistorer har dessutom två ytterligare huvudgrupper beroende på styrelektrodens utförande: JFET (Junction Field Effect Transistor), med en PN-övergång, och MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) med ett skikt av kiseldioxid.
I fråga om funktionssätt finns ingen skillnad mellan en PNP- och en NPN-transistor. Men den motsatta polariteten gör att strömmarna flyter i motsatt riktning.
Tillverkning
Den idag vanligaste transistorkonstruktionen är yttransistorn (planartransistorn). Den kan tillverkas billigt genom att man i ett fotolitografiskt förfarande i ett steg framställer hundratals transistorer ur en och samma kiselplatta (wafer). Förfarandet används för såväl låg- som högeffektstransistorer. Den så kallade spetstransistorn, i vilken anoden är en tunn tråd som svetsats fast mot en kristallplatta, förekommer enbart vid högfrekventa applikationer.
Germanium var grundmaterialet för de första halvledarkomponenterna. Materialet ger dåliga högfrekvensegenskaper, hög temperaturdrift och lägre temperaturtålighet än kisel. En fördel är det låga bottenspänningsfallet som gör att germaniumtransistorer kan vara att föredra i effekttransistorer, till exempel för spänningsomvandlare.
Kisel är det material som dominerar idag. Kisel är billigt och det går att producera mycket snabba transistorer med en förstärknings/bandbreddsprodukt (fT) upp till många GHz, spänningar kring 1000 V eller mer. Det förekommer transistorer i kraftsammanhang som klarar 1000-tals Ampere. Man kan dock inte få allt samtidigt. Transistorerna är som regel byggda för småsignals-, switch- eller effekttillämpningar.
Vissa transistorer, till exempel HF-effektransistorer, har en speciell uppbyggnad med uppdelade funktioner, till exempel en stor mängd emittrar, för att klara hög effekt samtidigt som högfrekvensegenskaperna är goda.
Till skillnad från kisel är III-V materialen dyra. III-V materialen kallas så därför att de är sammansatta av material i det periodiska systemets kolumner tre och fem. Det betyder materialkombinationer som Galliumarsenid (GaAs) och Indiumfosfid (InP). Galliumarsenid används framförallt inom mikrovågsområdet. Fälteffekttransistorer (FET) i galliumarsenid, GaAsFET, har lågt brus och är särskilt lämpliga i ingångssteg för till exempel, radar- och satellitmottagare. De ger låg intermodulation men är känsliga för överspänningar och speciellt för elektrostatiska urladdningar innan de är inlödda i kretsarna. Indiumfosfid används i huvudsak inom optoelektroniken.
