Transistor

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Arbeid pågår: Denne siden er under arbeid. Det blir ofte redigeringskollisjoner under slikt pågående arbeid, og under større endringer så kan andre bidrag forsvinne. Se også diskusjonssiden for ytterligere informasjon.
Denne artikkel omhandler elektronikkomponenter. For transistor i betydningen radiomottager, se transistorradio

En transistor er en elektronisk komponent som brukes sammen med andre elektroniske komponenter til å forsterke eller generere signaler, eller som en bryter for å slå på og av signaler eller energitransport. Den har tre tilkoplinger og er fremstilt av et halvlederkrystall. To av tilkoplingene brukes til å styre strømmen som går gjennom den tredje tilkoplingen og en av styretilkoplingene. Den styrte energien er større enn den som trengs til å styre, noe som gir energetisk forsterkning av et signal. Transistoren brukes både i analoge og i digitale kretser. Transistorer kan finnes som enkeltkomponenter pakket i et hus med tilkoplinger, eller de kan kan, sammen med ledningsføring og andre komponenter, pakkes tett sammen i et stort antall inne i en funksjonell enhet, kalt en integrert krets.

Den første transistoren ble oppfunnet i 1947 og transistorer ble tilgjengelige fra rundt 1950. Transistoren overtok etterhvert de fleste bruksområder som frem til da hadde vært forbeholdt radiorøret.

Forskjellige enkelttransistorer. Husene er standardiserte og kalles (ovenfra): TO-3, TO-126, TO-92, SOT-23

Oversikt[rediger | rediger kilde]

Forsterkning[rediger | rediger kilde]

Med en transistor kan en større elektrisk strøm gradvis styres ved hjelp av en mindre strøm, slik radiorøret kan. Dette til forskjell fra reléer som bare kan slå store strømmer enten på eller av ved hjelp av mindre strømmer.

Den gradvise styringen er essensiell for å kunne oppnå energetisk signalforsterkning. Med en transformator kan spenningsforsterkning eller strømforsterkning av et signal oppnås, men ikke energiforsterkning. En mikrofonsignal kan eksempelvis ikke drive en høyttaler; signalet må først forsterkes energetisk. I ytterpunktene av det gradvise, eller analoge, styringsområdet ligger de funksjonene som betegner en bryter: Fullt 'på' eller fullt 'av'.

Komponenter som må brukes for å oppnå energetisk signalforsterkning kalles aktive komponenter. Transistorer og radiorør er de eneste kjente aktive komponentene.

Frekvenser[rediger | rediger kilde]

Frekvensmessig kan transistorer forsterke alt fra likespenningssignaler til frekvenser over 100 GHz, men dagligdagse transistorer slutter å forsterke i MHz-området et sted. Store transistorer som behandler stor effekt er langsommere enn små transistorer.

Halvledertyper[rediger | rediger kilde]

Alle transistorer er fremstilt av et halvledende krystallgitter, i dag for det aller meste av grunnstoffet silisium. Germanium var enerådende rundt de første 20 år etter oppfinnelsen. Sammensatte krystaller som galliumarsenid og silisiumkarbid er i bruk i dag for spesielle anvendelser, liksom Silisium-Germanium legeringer. Av prosessteknologiske årsaker tok silisium over fra germanium, først og fremst fordi det med silisium kan dannes oksidlag som er velegnet for kjemisk prosessering. Der var også andre årsaker, som høyere lekkstrømmer, begrenset maksimalspenning og dårligere temperaturstabilitet.

Størrelser[rediger | rediger kilde]

Transistorer kan i dag (2014) fremstilles så små at det er plass til millioner av dem på en kvadratcentimeter. Når større spenninger og strømmer skal behandles blir transistorene fremstilt adskillig større for å kunne lede bort varmetapene til omgivelsene. Som enkeltkomponenter er de også større; de pakkes inn i plast- eller metallhus, med tilledninger, og er minst et par mm store for mekanisk å kunne behandles (identifiseres, flyttes på, loddes) av mennesker. Analoge kretser forlanger større transistorer enn digitale kretser, da sistnevnte bruker transistorene som brytere som derfor ideellt sett ikke avgir varme. Svært kraftige transistorer kan være så store som en tommel.

Polariteter[rediger | rediger kilde]

I motsetning til radiorøret kan alle transistortyper fremstilles i hver av to mulige polariteter. Både strømmer og spenninger har motsatt retning av hverandre i de to typene. Bokstaven N assosieres ofte med den ene, bokstaven P med den andre typen, der N og P antyder Negativ og Positiv. Radiorør er i denne sammenheng å betrakte som N.

Transistortyper[rediger | rediger kilde]

Transistorer kan bygges etter forskjellige arbeidsprinsipper, der de to hovedtypene kalles

  • bipolar transistor, en kortform for "Bipolar Junction Transistor", forkortet BJT
  • felteffekttransistor, "Field Effect Transistor", forkortet FET

Begge hovedtypene har tre terminaler, men terminalene har forskjellige betegnelser.

  • En BJT kjenner terminalene E, B og C, fra engelsk Emitter, Basis, Collektor (norsk: Sender, Base, Samler)
  • En FET kjenner terminalene S, G og D, fra engelsk Source, Gate og Drain (norsk: Kilde, Port, Utløp)

(De norske betegnelsene er uttrykkelig ikke i bruk; de tjener her kun som oversettelser. På norsk kan dog terminalnavnene Base og Kollektor brukes, men terminalnavnet Kollektor i kortform er helst C, ikke K).

Forenklet prinsippskisse av en planar NPN Bipolar Junction Transistor, snitt.
Prinsippskisse av en p-kanal JFET. Strømmen fra Source til Drain endrer seg når spenningen som tilføres Gate (sett fra Source) endres. Området kalt 'Depletion layer' i tegningen er midt i dioden og endrer størrelsen med Gatespennigen. Denne bestemmer kanalens effektive areal og dermed ledningsevnen.
Prinsippiell byggemåte for en n-Kanal MOSFET, snitt. Kanalen er den midtre blå stripen.

Felteffekttransistorer deles i to underkategorier med noe forskjellig oppbygning. I begge kategorier ledes strømmen gjennom en halvlederkanal forbundet til Drain og Source. Et ytre felt (sett fra kanalens indre) som styres av spenningen mellom Gate og Source er i stand til å trekke ladningsbærerne i kanalen til side. Dette er felteffekten: Kanalens ledningsevne styres av denne forskyvningen.

Her beskrives retninger for N-typer i det videre. De har positiv spenning på Drain i forhold til Source.

  • JFET: Her ligger det en diode, forspent i sperreretningen, mellom kanalen og Gate. Det går en liten (uønsket) lekkstrøm i dioden. Feltet mellom Katode og Anode i dioden er feltet som styrer kanalens oppførsel. Uten noe felt leder kanalen godt; en negativ spenning på Gate, sett fra Source, må tilføres for å redusere kanalens ledningsevne. For å knipe kanalen helt igjen slik at den ikke lengre leder strøm, trengs en viss negativ spenning. Denne kalles på engelsk 'pinch-off voltage'. J i JFET står for Junction, forbindelse. JFET'er lages aldri for kraftformål
  • MOSFET: Kanalen er omgitt av et tynt, godt isolerende sjikt. Sjiktet fremstilles av et metalloxid, i betegnelsen kommer 'MOS' herfra. Også her forbindes kanalen til Drain og Source. Gate koples til en ledende flate nær kanalen, og er isolert fra den gjennom metalloksid-sjiktet. Her er det altså ingen forbindelse (junction) med Gate. Feltet mellom Gate-lederen og Source bestemmer også her kanalens ledeevne. Til forskjell fra andre transistortyper inneholder MOSFET'er konstruksjonsbetinget en diode mellom Drain og Source, forspent i sperreretningen. På noen skjemasymboler tegnes denne dioden inn.

MOSFET-typene deles nå igjen i to undergrupper.

    • Depletion MOSFET: (Depletion = Utarming) Kanalen lages slik at den oppfører seg likt JFETen sin, idet den leder godt uten spenning på Gate i forhold til Source. En negativ spenning (sett fra Source) må til for å minke kanalens ledningsevne. Dette kalles utarming.
    • Enhancement MOSFET (Enhancement = Forøkning) Kanalen lages slik at den ikke leder uten tilført spenning til Gate i forhold til Source. Spenningen må økes for at kanalen skal lede. Dette er forøkning. Enhancement MOSFET er den mest brukte FET-typen. Den er enerådende i alle vanlige digitale regneenheter, som mikroprosessorer, i dag.

Merk: Alle FET transistorer øker Drain-Source-strømmen når inngangsspenningen Gate til Source øker. Polaritetene er som nevnt motsatt for N- og P-typer.

Polaritetsbetegnelser[rediger | rediger kilde]

De bipolare typene assosiert med N heter NPN-typer, og for P er det PNP. Kollektorspenningen gjøres positiv for NPN og negativ for PNP, sett fra Emitter.

For alle felteffekttransistorene er betegnelsen N-kanal eller P-kanal, på engelsk N-channel og P-channel. Drainspenningen gjøres positiv for N-kanal typer og negativ for P-kanal typer, sett fra Source.

Symboler for transistorene[rediger | rediger kilde]

Alle transistorene her er snudd slik at den positive terminalen er oppe, hovedstrømmen, den som blir styrt, går alltid nedover.

BJT-transistorer:

P-kanal FET'er:

N-kanal FET'er:

Andre transistortyper[rediger | rediger kilde]

Det fins flere transistortyper enn de som er nevnt til nå. Flere av dem er ganske eksotiske og noen blir ikke laget lengre. Nedenfor beskrives bare en type, kalt IGBT, da den er blitt meget populær.

Noen koplinger kalles transistorer, men er ikke annet enn én eller to vanlige BJT transistorer sammen med en motstand. Darlingtontransistorer og Sziklaitransistorer er bygd av to transistorer og en motstand, og en såkalt 'digital transistor' er en PNP- eller NPN-type som har fått en motstand i serie med basen.

En av de viktigste andre typene kalles '''IGBT''' (eng: Insulated Gate Bipolar Transistor). De ble utviklet på 1980- og 1990-tallet og er nå (2014) i tredje generasjon hvor barnesykdommene er overkommet. Den er slags blandingstransistor, med MOSFET inngang og bipolar kropp. Tilsvarende heter tilkoplingene Emitter, Gate og Collector.

IGBT-Modul (IGBT'er og beskyttelsesdioder) med en spesifisert strøm på 1,200 A og en maksimal spenning på 3,300 V

IGBT'er brukes kun til kraftelektronikk, og da stort sett som brytere. De er meget hurtige både ved på- og avslag, og kan fremstilles både for svært høye strømmer og spenninger. Det brukes ofte pulsbreddemodulasjon av en solid likespenning før den tilføres lasten, som utenfra virker som analog styring. De finner stor anvendelse i elektriske biler. Transistorene kobles ofte sammen i parallelkopling og pakkes i kraftige moduler. IGBT'er har ikke en ekstra diode i sperreretning mellom Source og Drain, slik som MOSFET'er har. Ved bruk mot induktiv last overtar denne dioden strømledning den andre veien uten egen styring, noe som her er meget praktisk. I dette tilfellet kalles dioden en friløpsdiode (freewheeling diode). I IGBT moduler er slike dioder tilføyd som ekstra komponenter.

Halvledere[rediger | rediger kilde]

Her gjennomgås i kompakt form halvlederes oppførsel og fremstilling. Det introduseres også en del begreper som er knyttet til halvlederteknikk.

Utgangspunktet er et egnet grunnstoff som forekommer i krystallinsk form. Krystallene gros ved høy temperatur i ovner og resultatet er et meget homogent og rent krystall. I denne prosessen blir krystallet av praktiske grunner ofte forurenset (dopet), men her betraktes først et rent krystall, som kalles en intrisikk halvleder. Krystallet vil ikke kunne lede strøm siden det mangler bevegelige, eller frie, ladningsbærere. Alle elektroner er bundet til hver sitt atom. Det er helst stoffer med fire elektroner i ytre skallet, som germanium og silisium, som brukes til halvledere. Se Bohrs atommodell og Det periodiske system. I metaller finnes det endel naturlig frie elektroner, altså elektroner som ikke er bundet til atomene sine, som sørger for at metall kan lede strøm godt. Det grodde krystallet er stort. Det deles senere opp i tynne skiver (eng: wafers) og på hver skive lages et antall halvlederkomponenter som senere skjæres ut enkeltvis.

N-type[rediger | rediger kilde]

Hvis krystallet målbevisst forurenses noe av et annet grunnstoff som har flere elektroner i det ytre skallet, som fosfor eller arsen med fem elektroner, vil disse atomene finne sine plasser jevnt fordelt i krystallet. Det overskuddet av elektroner som fremmedatomene har, blir da til frie elektroner; de kan vandre hvorhen de vil i krystallet. Det dopede krystallet kan nå lede strøm med elektroner som ladningsbærere. Fremmedstoffet kalles i denne sammenhengen en donor (giver) siden det gir fra seg elektroner. Halvlederen gis betegnelsen N-type siden elektroner er negativt ladet.

P-type[rediger | rediger kilde]

Krystallet kan også gjøres ledende på en annen måte; det kan dopes med andre stoffer. Bor og aluminium har færre elektroner i ytre skall enn halvledermaterialet; begge har tre. At mangel på elektroner kan føre til lederegenskaper er ikke helt intuitivt. Som før finner fremmedstoffenes atomer sine plasser jevnt fordelt i krystallgitteret. Mangelen på elektroner merkes av naboatomene ved at de elektronene som befinner seg i det ytre skallet blir sterkt tiltrukket av mangelstedet. Elektronene besøker da gjerne naboen en tid, for så å vandre videre. Mangelstedet som savner elektroner er nå mobilt. Ledning av strøm betyr at elektronet vandrer fra plassen sin til den neste mangelplassen; mangelstedet og elektronet bytter plass.

Hull[rediger | rediger kilde]

Det kan lønne seg å gå bort fra betraktningen av bare elektroner. Et sted hvor elektronet mangler, kalles et hull, og hull kan sies å bevege seg i motsatt retning av elektronet. Et hull har i denne betraktningen en positiv ladning. Selv om det kun er elektroner som virkelig beveger seg, er det lettere å beskrive, tenke og beregne ved å innføre hullet som en egen ladningsbærer. Fremmedstoffet kalles en akseptor da det aksepterer mottak av elektroner. Halvlederen er nå av P-type, siden den har positive ladningsbærere.

Felteffekttransistorer har eksempelvis slike dopede halvledere i kanalen sin, som gir navn til N- og P-kanal FET'er. Merk at strøm i vanlig elektronikk kan betraktes som ledet av positive ladningsbærere. Dette fordi strømretningen er definert som den motsatte retningen av elektronstrømretningen.

PN-overgangen[rediger | rediger kilde]

Prinsipptegning av en p–n-overgang. Kretssymbolet er også vist: trianglet er på p-siden. 'Silicon' er engelsk for silisium.
En p–n-overgang med null ytre spenning. Elektron- og hullkonsentrasjonene vises med henholdsvis blå og røde grafer. Grå regioner er ladninsnøytrale. Lyserød sone er ladet positiv. Lyseblå sone er negativt ladet. Det elektriske feltet som oppstår på grunn av dopingen er vist nedenfor. Den elektrostatiske kraften på elektroner og hull, samt retningen som diffusjonen tenderer til å bevege elektroner og hull i, vises nederst. N-dopingen kan ses å ha lavere konsentrasjon enn p-dopingen.

Det rene krystallet kan gis akseptorer eller donorer slik at de trenger noe inn i dybden i krystallet. Når donorer tilføres den ene siden og akseptorer den andre siden av en tynn halvlederplate, dannes en såkalt P-N-overgang midt i. Akkurat i overgangen vandrer elektroner over til akseptorene og hullene over til donorene og blir værende der. Overgangen har da ikke lengre frie ladningsbærere og den isolerer, noe som kan måles ved og med små spenninger. Elektronene i N-delen kalles majoritetsbærere fordi det er langt flest av dem der. Likeledes er hullene i P-delen majoritetsbærere der.

En ytre spenning kan tilkoples mellom N-delen og P-delen. Feltet fra spenningen ligger over overgangen og virker inn på ladninsbærerne ved elektrostatiske krefter. Settes den negative spenningen til P-delen og den positive til N-delen, vil elektronene i N-delen tiltrekkes av den positive spenningen og hullene i P-delen av den negative. Overgangen blr derfor bredere og det vil ikke flyte strøm gjennom den. Overgangen kalles utarmingssonen (eng:depletion Zone) eller romladningssonen.

Ompoles den påtrykte spenningen, vil den positive polen av spenningen ligge til P-delen og omvendt. Feltets negative side vil nå frastøte elektroner i N-delen , og hull frastøtes i P-delen av den positive delen av feltet. Overgangen blir således kortere. Økes spenningen nok, blir overgangen smal nok til at elektroner kan krysse den og injiseres inn i P-delen. Likeledes blir hull injisert i N-delen. Inne i overgangen rekombineres elektroner og hull. Dette fører til en strømledning i krystallet. Elektronstrømmen går inn N-delen og den samme mengden strøm går ut av P-delen ved hull-ledning. Økes påtrykt spenning ytterligere, vil strømmen bli sterkere.

En PN-overgang er hovedinnholdet av en diode. Resten utgjøres av de metalliske tilkoplingene til krystallet, som blir ohmske resistanser. Mengden av strøm som flyter er eksponentielt stigende med påtrykt spenning, så en grensespenning for at strømledning skal finne sted kan ikke defineres. Likevel kan det sies at med rundt 0.6 V for silisiumdioder vil strømmen ligge i mA-området. Germanium har for mA-området rundt 0.25 til 0.3 V spenning. Terminalen som er forbundet med P-delen kalles diodens anode og N-delen er forbundet med diodens katode. At overgangen blir lengre jo større spenning som tilføres i sperreretningen, utnyttes i kapasitetsdioder for å oppnå en spenningsstyrt kapasitet.

Grader av doping[rediger | rediger kilde]

Fremmedatomene er ikke mange i forhold til antall vertsatomer. En konsentrasjon av 1:50 000 er ansett som meget kraftig doping av silisium; og 1:5 000 000 000 som en meget svak doping.

Endring fra P- til N-type halvleder eller omvendt[rediger | rediger kilde]

I løpet av fremstillingsprosessen er det ikke noe problem å endre P-typer til N-typer eller omvendt, og det gjøres da også i stor utstrekning. Eksemplet over med å dope en tynn plate med akseptorer fra den ene siden og donorer fra den andre siden tilhører fortiden. I dag gros krystallet som for eksempel N-dotert før det blir kuttet opp i skiver. Ved å utsette den ene siden av skiven for et P-doterende stoff en tid i en ovn eller slik (det fins mange muligheter), vil halvlederen etterhvert få like mange donorer som akseptorer, og etter mere tid vil P-donorene være i flertall. Denne prosessen er kontrollert i dybden slik at N-typen fortsatt ligger i bunnen, og geografisk ved hjelp av en midslertidig maske slik at N-materialet ligger på kanten og omgir den nye P-typen halvleder som er i midten.

Dioder[rediger | rediger kilde]

En P-N-overgang er oppstått og skiven (waferen) kan kuttes opp og bitene kan monteres som dioder etter metallisering av ringen og øya i midten, og tilkopling av ringen (N, katode) og øya i midten (P, anode) til ytre terminaler.

Transistorer[rediger | rediger kilde]

Prosessen kan gjentas med et N-dopende grunnstoff, ikke så dypt som P-området og ikke så stort som det. Resultatet er to ringer (N ytterst og P innenfor) og et midtparti N, som alle ligger tilgjengelig på overflaten. Disse tre områdene kan metalliseres og etter oppdeling av skiven få påsatt tilkoplinger . Området er blitt en NPN type transistor. Den ytterste ringen er størst og lages som kollektor, fordi kollektoren er den delen av en transistor som får tilført den støste effekten. Det første N-området, ytterst, nederst, kan koples termisk til en kjøleflate. Den koples gjerne også elektrisk til denne.

(til hit er overarbeidet)

Transistoren som forsterkerelement kan brukes i tre forskjellige hovedkonfigurasjoner

To silisium transistor-chips (hver ca. 1*1 mm) i samme åpnete metallhus. Strekene ovenfor er en millimeterskala. Chipene har god varmeledning til bunnen av huset.

(utvikling - til hit)

I en transistor blir krystallmaterialet målrettet forurenset, eller dopet, med atomer av andre grunnstoffer for å påvirke ledningsevnen. Forskjellige deler av transistoren blir dopet med forskjellige stoffer for å danne grunnlaget for transistorfunksjonen. I kontaktflatene mellom regioner med ulik type doping dannes det såkalte PN-sjikt, der P representerer doping med akseptoratomer (positiv doping) og N doping med donoratomer (negativ doping).[1]

  • Bipolare transistorer. Disse krever noe inngangsstrøm. Navnet kommer av at både hull og elektroner deltar i strømledningen.


Andre typer transistorer er:

  • Unijunction-transistoren, hvor de tre terminalene er en emitter og to baser. De oppviser et område med dynamisk negativ motstand, og brukes til trigging av tyristorer. Transistoren er da oftest del av tyristoren. Unijunctiontransistorer er gått litt ut av bruk som separate komponenter. De kjennetegnes av en spesifisert triggespenning og de forblir ledende inntil spenningen er blitt sterkt redusert. De kan derfor brukes som relaksasjonsoscillatorer.


I motsetning til radiorøret kan begge typer transistorer fremstilles i begge polariteter. For NPN-transistoren går styrestrømmen inn i basen og den styrte strømmen går inn i kollektor. Begge strømmene, altså summen, kommer ut av emitter. For PNP-typene går strømmene andre veien, men også her fører emitter summen. Den midterste bokstaven betegner dopingen av basis.

JFET-ene leder strømmen i en N-kanal når økende GS-spenning (gate til source) fører til større strøm, og denne går inn i drain og ut av source. Strømmen går andre veien i P-kanal typer og den øker for reduksjon av gatespenningen. På samme viset har en MOSFET enten en N-kanal eller en P-kanal for strømveien.

Den bipolare transistoren[rediger | rediger kilde]

Tre effekttransistorer med kjøleflater på undersiden og hull for feste.

Helt konkret består denne transistoren av to dioder. Begge går ut fra basis til hver av de andre terminalene i samme retning. For NPN-transistorer er basen en felles anode og for PNP-transistorer er basen en felles katode. Basis – emitter-dioden (ofte kalt BE, BE-diode eller BE-strekning) drives i lederetningen, og kollektor – base-dioden drives i sperreretningen. En transistor kan ikke bygges av to separate dioder; diodene i en transistor er begge en del av det samme krystallet.

Det er ganske fornuftig å se på BE-strekningen som inngangen, styringen eller kontrollterminalene til transistoren, og kollektor – emitterstrekningen som svaret, responsen, eller utgangen. For det meste betraktes styringen av BE-dioden som styrestrøm, men det er også tillatt å betrakte spenningen over BE-dioden som styresignalet siden det er en klar sammenhenge mellom strøm og spenning.

Virkningen er i prinsipp grei i en noe forenklet betraktning. Når vi sender strøm inn i basen, betyr det av vi sender elektroner inn i emitter, siden strømretningen per definisjon er motsatt av elektronstrømretningen. De elektronene som går inn i emitter på vei til basis, blir «lurt», kan vi tenke oss; de aller fleste føler seg svært så tiltrukket av kollektoren på veien, på grunn av feltet som kollektordioden setter opp. Bare en liten brøkdel kommer faktisk frem til basen. Strømmen som styres blir av den grunn langt større enn strømmen som styrer. Faktoren mellom dem kalles strømforsterkningsfaktoren hFE eller \beta. For vanlige småsignaltransistorer er denne oftest mellom 100 og 400 i verdi. For effekttransistorer er den mindre, og spesielle typer kan ha strømforsterkning på over 1000 ganger.

Transistorer er i prinsipp høyst ulineære komponenter. Inngangen er en diode mellom basis og emitter, og utgangen er en styrt, ulineær strømleder mellom kollektor og emitter (se formler nedenfor). For det aller meste er vi enten interessert i en lineær sammenheng mellom inn- og utgangssignaler, eller å bruke transistoren som en bryter med tilstandene «på» og «av».

Modell og matematikk[rediger | rediger kilde]

For transistorer, som ved de fleste mekanismer, kan man lage modeller som mer eller mindre nøyaktig beskriver dem eller viktige deler av deres oppførsel.

En enkel, men ganske nøyaktig modell av forsterkningen får vi med Ebers – Molls modell. Den ser på hFE som konstant og uttrykkes:

Ebers – Molls modell for NPN-transistor
Ebers – Molls modell for PNP-transistor
I_\mathrm{E} = I_\mathrm{ES} (e^{V_\mathrm{BE} / V_\mathrm{T}} - 1)
I_\mathrm{C} = \alpha_F I_\mathrm{ES} (e^{V_\mathrm{BE} / V_\mathrm{T}} - 1)

hvor

  • I_\mathrm{E} er emitterstrømmen,
  • I_\mathrm{C} er kollektorstrømmen,
  • \alpha_F kalles felles-base-forover-kortslutningsstrømforsterkning (0,98 til 0,998),
  • I_\mathrm{ES} kalles revers metningsstrøm av base – emitter-dioden (størrelse omtrent 10−15 til 10−12 ampere),
  • V_\mathrm{T} er den såkalte termiske spenningen (omtrent 26 mV ved romtemperatur ≈ 300 K),
  • V_\mathrm{BE} er base – emitter-spenningen, og
  • h_\mathrm{FE} = \frac{1}{1 - \alpha_\mathrm{F}}.

Den termiske spenningen er gitt ved

V_\mathrm{T} = {kT \over q}

hvor

  • k er Bolzmanns konstant og lik 1,38 • 10−23,
  • T er den absolutte temperaturen i kelvin og er lik 273,15 + °C, og
  • q er elektronets ladning og er lik 1,6 • 10−19 coulomb.

Ebers – Molls modell fører til ligninger som sier at transistoren i prinsippet er en transkonduktans-forsterker, idet den får spenning inn som styrer en strøm ut. Transistorens forsterkning måles altså i A(ut)/V(inn). I et felles emitter-trinn legger vi en motstand mellom kollektor og en forsyningsspenning. Denne motstanden er en strøm-til-spenning-omformer i denne koblingen og gir trinnet en spenningsforsterkning på U(ut)/U(inn) = −RI(ut)/U(inn). Det negative fortegnet kommer av at trinnet snur signalfasen; høyst innsignal gir lavest utsignal.

Ebers – Molls ligninger beskriver inngangen som spenningsstyrt. Beskrivelsen er korrekt over minst seks dekader med strøm, men spenningsstyring av bipolare transistorer er likevel ikke gjennomførbart i praksis. Forspenningen av basedioden krever 0,4–0,6 V, og denne spenningen er svært temperaturavhengig, som modellens ligninger også sier. Ligningene viser en sterk ulinearitet – eksponensialfunksjonen – for en spenningsstyring. Med strømstyring er det i praksis mye lettere; strømforsterkningen er noenlunde konstant, som nevnt over.

Videreførende, mer nøyaktige modeller er fremfor alt viktig i elektroniske kretssimulatorer som med datakraft prøver å etterligne oppførselen til elektriske og elektroniske koblinger så nær virkeligheten som mulig. To utvidete modeller er Standard og Modifisert Gummel-Poon, kalt SGP og MGP. En modell som tar med enda flere egenskaper kalles VPIC.

En kan bytte om emitter og kollektor, og transistoren vil fortsatt virke og beholder polariteten sin. Maksimal spenning på den nye kollektoren reduseres til ca. 5 V og strømforsterkningen blir sterkt redusert. Fordelen ved å gjøre dette er at metningsspenningen kan gjøres lavere enn mulig på andre måter med bipolare transistorer. Denne innsikten ble mindre viktig da MOSFETer med lav indre motstand kom på markedet.

Second breakdown[rediger | rediger kilde]

Grenselinjene for en bipolar kraft-transistor. Under grenselinjene er det trygge arbeidsområdet. På grunn av log-log skala blir effekthyperbelen en rett linje.

Begrepet second breakdown (eng: omtrent «sekundært sammenbrudd») er et destruktivt fenomen som er viktig for design med bipolare effekttransistorer. Fenomenet skyldes at krystallets ledningsevne stiger med temperaturen. På en større krystallflate fordeler temperaturen seg selvfølgelig ikke helt likt. Når mye effekt tilføres, vil det gå større lokale strømmer der temperaturene er høyest. Dette igjen fører til at det eller de varme punktene får mer tilført effekt enn de andre stedene. Dette er en positiv tilbakekobling som fører til et termisk runaway-fenomen; til slutt oppstår en eller flere varmetunneller som ødelegger krystallet ved lokal overoppheting. Av den grunn har grensediagrammet for spenning og strøm for en effekttransistor fire begrensende linjer: 1) Spenning, horisontal akse. Større spenninger fører til egenledning. (Dette kalles "first breakdown" og er uskadelig hvis effekten ikke overskrides.) 2) Effekthyperbelen, hvor UI = konstant = maksimal tillatt effekt. 3) Second breakdown-linjen, som reduserer effekthyperbelen. 4) Maksimal strøm, vertikal akse, gitt av bondetråden, den interne forbindelsen mellom krystallet og terminalen.

MOSFET-effekttransistorer har negativ temperaturkoeffisient for krystallets ledningsevne og er dermed automatisk beskyttet mot dette fenomenet. Dette gjør at MOSFET-krafttransistorer er ganske robuste.

Felteffekt-transistorene[rediger | rediger kilde]

Teorien bak felteffekttransistoren var fullført lenge før slike komponenter kunne bygges. Den ble patentert av Julius Edgar Lilienfeld så tidlig som i 1926 og av Oskar Heil i 1934. Det var under forsøk på å realisere denne teorien at den bipolare transistoren så dagens lys i 1947. Den sistnevnte overtok oppmerksomheten i lang tid slik at det ennå ville vare inntil felteffekttransistoren ble en realitet. I 1960 kom MOSFET'en.

Felteffekttransistoren leder hovedstrømmen gjennom en kanal. Strømmen ledes av ladningsbærere som enten er elektroner (for N-kanal typer) eller hull (for P-kanal typer). FET'er er således unipolare i motsetning til den bipolare transistoren. Tanken bak felteffekttransistoren er å kunne tømme kanalen for ladningsbærere ved å skyve dem til side ved hjelp av et elektrisk felt som en styrende inngangsspenning setter opp. En FET er altså en transkonduktansforsterker.

JFET[rediger | rediger kilde]

De enkleste FET-ene er JFET-er, Junction FET, som danner styrefeltet med en diode hvor kanalen er diodens ene elektrode. For en N-kanal JFET er Gate anode og Source katode for denne dioden. Kanalen leder godt uten tilførsel av et ytre felt, altså uten tilførsel av inngangsspenning. Styrespenningen må for N-kanal typer være negativ i forhold til Source for å begrense strømledningen. Dette er likt radiorøret og ulikt den bipolare transistoren. Den spenningen som skal til for å stoppe all strøm, altså knipe igjen kanalen, kalles pinch-off-spenningen.

MOSFET[rediger | rediger kilde]

Ved å isolere styreelektroden med en god isolator i stedet for en sperrende diode oppnås at lekkstrømmen i inngangen nesten forsvinner helt. Selv om fremstillingen krever flere trinn, har MOSFET-en mange fordeler som gjør at den er blitt svært utbredt. Den er blitt praktisk enerådende i digitale integrerte kretser som mikroprosessorer. Det finnes to forskjellige typer MOSFET-er. Som JFET-en kan den fremstilles slik at den leder godt uten tilførsel av ytre spenning. Feltet fjerner ladningsbærere fra kanalen. Denne typen kalles "depletion" (eng: uttømming) type. Imidlertid er muligheten også til stede for å fremstille MOSFET-er som ikke leder før de får tilført en spenning på styreinngangen. Feltet henter ladningsbærere til kanalen. Denne typen kalles «enhancement» (eng.: forsterkende, forøkende) type MOSFET. JFET-en kalles også en «depletion» (eng: utarming) type FET. MOSFET-ene lages for det aller meste som enhancement-typer.

MOSFET-enes nesten ideelle isolasjon i GS-strekningen fører også til en spesiell fare for ødeleggelse som kun gjelder denne type transistor. For at følsomheten, transkonduktansen eller forsterkningen skal være så stor som mulig skal det dannes et sterkest mulig felt for en gitt inngangsspenning. Derfor lages metalloksydsjiktet så tynt som praktisk mulig. Av den grunn tåler sjiktet ganske lite spenning før spenningen fører til et destruktivt overslag. ±20–30 volt er blitt vanlige industrielle grenser for maksimal GS-spenning. Fremfor alt statisk elektrisitet kan lett lade opp GS-kondensatoren som sjiktet utgjør. I en ferdig kopling finnes det alltid en strømvei som lader ut gatespenninger når koplingen er strømløs.

Ved første blikk virker det som at det kan stilles langt mindre strenge krav til strømmen fra kretsen som styrer en FET enn en krets som styrer en bipolar transistor. Det er nok riktig for DC og lave frekvenser, men ved høyere frekvenser stiger kravet til strømleveranse til inngangen, altså gate, kraftig. FET-er har mye større parasitiske (indre, uunngåelige) kapasiteter enn tilsvarende BJT-er. Strømkravet kan bli riktig stort i en felles-sourcekobling med stor spenningsforsterkning. Her kobles signalet tilbake fra drain til gate over DG-kondensatoren i motfase av gatespenningen. Se kaskode for utdypning.

Metning[rediger | rediger kilde]

En bipolar transistor oppviser en metningsspenning (mellom kollektor og emitter) når den blir drevet, eller styrt, til metning. Metning er en tilstand hvor enda mer påtrykk ikke endrer noe i responsen. FET-er er annerledes og oppviser en resistans, en motstandsverdi, når de blir drevet mot metning. JFET-transistorer blir knapt laget for store effekter eller strømmer, i motsetning til MOSFET-er, som dominerer storsignalmarkedet. I metning kan motstanden for spesielt lavohmige typer komme ned i 0,1 ohm og mindre. Det finnes typer som kun er laget for å oppvise lav resistans, men de fleste er også laget for å tåle store strømmer, er altså effekttransistorer.

Metningsspenningen for en bipolar transistor ligger i området 0,1–0,2 V. Når kollektorspenningen er så lav, stjeles en del av base – emitterstrømmen av kollektordioden og mer påtrykk fører ikke til mer kollektorstrøm.

Transistorkoblinger[rediger | rediger kilde]

For å få den høyst ulineære komponenten transistor til å arbeide til å gi nesten helt lineære forsterkere, benyttes forskjellige erkjennelser som er samlet opp med tiden. Faget som hovedsakelig beskjeftiger seg med dette kalles elektronikk.

  • Det gjøres en utstrakt bruk av motstander, som er meget lineære strøm-til-spennings-omformere og omvendt. Motstander brukes også som spenningsdelere til å sette opp arbeidsbetingelsene for transistoren.
  • Forsterkertrinn kobles et sammen på en slik måte at de uønskede egenskapene ikke oppstår, gjøres svært små eller kompenseres for, mens de ønskede egenskapene gis så gode forhold som mulig.
  • Det blir også gjort en utstrakt bruk av negativ tilbakekobling, ofte ganske subtilt som ved en enkel emittermotstand. Negativ tilbakekobling medfører at vi øker lineæritet mot å gi fra oss forsterkningsmengde.
  • Vi finner opp en rekke transistorkoblinger med funksjoner som vi kan anse som byggeklosser som det er lett å sette sammen.

En ikke fullstendig liste slike byggeklosser er (tall i parentes viser til at flere transistorer enn angitt kan brukes for ytterligere forbedring):

1 transistor[rediger | rediger kilde]

  • Felles emitterkobling: det typiske én-transistors forsterkertrinnet, med mest effektforsterkning (både signalstrøm og -spenning forsterkes). Basis er inngang, kollektor er utgang.
  • Felles-basiskobling: er god for HF, lav inngangsimpedans, ingen strømforsterking. Emitter er inngang.
  • Felles-kollektorkobling eller emitterfølger, strømforsterkeren uten spenningsforsterkning. Basis er inngang, emitter er utgang.
  • Bryteren: gir full spenning eller strøm ("på"), eller er null ("av"), til en last eller som et digitalt signal
  • Konstant-strømkilde for DC (2, 3)
  • Fasesplitter: som deler signalet opp i to like sterke signaler med motsatt fase
  • Bootstrap forsterkertrinn: forsterkningen brukes til å lette styringen ved å bruke en del positiv tilbakekobling (2+)
  • VBE-strekker: brukes som enkel småspennings forsyning, ofte til forspenningskontroll av utgangstrinnet i effektforsterkere

2 transistorer[rediger | rediger kilde]

  • Kaskoden
  • Darlingtontransistor: to likepolaritets transistorer (strømforsterkere) etter hverandre, enorm strømforsterkning
  • Sziklaitransistor: to forskjelligpolaritets transistorer (strømforsterkere) etter hverandre, enorm strømforsterkning
  • Strømspeil: strømmen som sendes inn i én terminal (mot en spenningsforsyning) trekkes spenningsuavhengig i en annen terminal (3)
  • Differensialforsterker: klassisk inngang til effektforsterkere og operasjonsforsterkere (4)
  • Et utall forsterkerkonfigurasjoner

Spesifisering av bipolare transistorer[rediger | rediger kilde]

Transistorer spesifiseres i et datablad (eng: datasheet). Databladene spesifiserer alt mulig som konstruktørene kunne tenke seg å være interessert i. Både begrensende og beskrivende tall eller grafer angis. Det gjelder elektrisk relevante spesifikasjoner for strøm, spenning, effekt, temperatur og hurtighet, men også mekaniske mål og anbefalt loddemetode for serieproduksjon. Noen av de viktigste størrelser er

  • Maksimal spenning VCEO. Det gjelder i hovedsak kollektordiodens sperrespenning. Det vanlige området er fra 30 til 80 volt, men det finnes spesialtyper som tåler flere tusen volt. Hvis spenningen overskrides, vil krystallet begynne å lede på samme vis som en Zener-diode. Dette er i seg selv ikke destruktivt, men transistoren skades dersom krystalltemperaturen blir for høy på grunn av effekttapet.
  • Maksimal strøm i kollektoren ICmax. Småsignaltyper tåler typisk 50 til 250 mA, men det er ikke egentlig noen grense oppover. Det skilles mellom korte strømpulser og kontinuerlig strøm i spesifikasjonene.
  • Strømforsterkningsfaktoren hfe eller \beta. Den er ofte gitt som en graf eller samling av grafer. Den stiger gjerne litt med kollektorstrømmen for plutselig å avta ved høye strømmer. Verdien kan ha forholdsvis stor spredning mellom individuelle transistorer, og et godt design bør være en krets som er relativt uavhengig av denne verdien. En minimumsverdi er ofte oppgitt. 100 til 400 er vanlige verdier for småsignaltyper. Noen småsignal typer tilbys som undertyper med forskjellige forsterkningsfaktorer.
  • Emitter – base-spenning VEB0. Denne gjelder for sperreretningen av BE-dioden og er oftest å finne i 5–6 V-området. Dioden oppfører seg her som en Zener-diode med 5-6 V.
  • Maksimalt tillatelig tilført effekt Ptot. Tilført effekt fører til oppvarming av krystallet. Oppvarmingen kommer i tillegg til omgivelsestemperaturen. Man anbefaler å holde krystallet under 150 grader i alle tilfeller, både i bruk og under lagring. Man regner i allmennhet med at for silisium øker feilkvoten til det dobbelte for hver 10 grader økning av temperaturen. Maksimal effekt blir gitt for forskjellig grad av ekstern kjøling.
  • Termisk motstand Rth oppgis i grader K per watt. Denne beskriver hvor godt varmen ledes fra krystallet til overflaten eller kjøleflaten for effekttransistorer.
  • Metningsspenningen VCEsat. Transistoren kan aldri klare å trekke kollektorspenningen helt til emitterspenningen, altså lede uten noe spenningsfall over transistoren. Både basen og kollektoren tilføres oppgitte strømmer og metningsspenningen oppgis for disse betingelsene.
  • Lekkstrøm i kollektor til base ICB0 (engelsk: cutoff current). Kollektordioden er ikke perfekt, men lekker en liten strøm. Emitteren er åpen; emitterstrømmen er 0 ved denne målingen. Denne strømmen stiger sterkt med temperaturen.
  • Kollektorkapasiteten mot base. CCB. Denne kalles også millerkapasiteten og kan begrense øvre grensefrekvens. Se kaskode. De to andre parasittkapasitetene (CE og EB) oppgis også, men de er for det meste mindre viktige.
  • Transisjonsfrekvensen fT. Ved denne frekvensen er strømforsterkningen lik 1. fT er derfor den høyeste frekvensen som kan forsterkes.
  • Støytallet F. F angis i dB ved gitte betingelser.
Commons-logo.svg Commons: Kategori:Transistors – bilder, video eller lyd