Transistor

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Denne artikkel omhandler elektronikkomponenter. For transistor i betydningen radiomottager, se transistorradio
To silisium transistor-chips (ca. 1*1 mm) i samme hus. Husnavnet er enten TO39 eller TO5. Strekene ovenfor er en millimeterskala. Bondingledningene fra chip til tilledninger er sikkert laget av gull. I dag er nesten alle bondingledninger laget av aluminium, da dette er billigere. Chips anvendt i skipsutstyr skal helst ha bondingledninger av gull, da aluminiumsledninger over tid blir korrodert av salt fra havet.

Allment[rediger | rediger kilde]

En transistor er en av de to viktigste aktive elektroniske komponentene som er i bruk. At en komponent betegnes som aktiv betyr at den kan brukes til å forsterke et signal energetisk uten å forvrenge det i nevneverdig grad. Med en transistor kan en større elektrisk strøm styres ved hjelp av en mindre strøm (bipolar transistor) eller (nesten) strømløs spenning (MOS-transistor).

Alle transistorer er fremstilt av et halvledende krystallgitter, i dag for det aller meste av grunnstoffet silisium. Germanium var enerådende i begynnelsen etter oppfinnelsen i 1948, og sammensatte krystaller som galliumarsenid og indiumfosfid er i bruk i dag for spesielle anvendelser. Av prosessteknologiske årsaker har imidlertid silisium overtatt, først og fremst fordi man med silisium kan danne oksidlag som er velegnet for kjemisk prosessering.

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]

Småsignaltransistorer kan lages ekstremt små; det er plass til mer enn en million av dem på en kvadratcentimeter. På grunn av støy, effekttap eller varmeavledning fremstilles transistorene mye større når de skal behandle analoge signaler eller (enda større) styre store strømmer.

Transistoren har tre tilkoblinger eller terminaler. Et par av dem utgjør styresiden. Den tredje, mot en av de to andre, utgjør reaksjonssiden – en slags utgang. Det er alltid stømmen som blir styrt, eller rettere: muligheten for strømledning (i tilfelle det ikke blir tilført nok strøm).

Transistorer finnes hovedsakelig i to varianter som har ganske forskjellige funksjonsprinsipper.

  • Bipolare transistorer. Disse krever noe inngangsstrøm. Navnet kommer av at både hull og elektroner deltar i strømledningen.
  • Felteffekttransistorer (FET-er) styres av et elektrisk felt som inngangsspenningen setter opp, og det går ideelt sett ingen inngangsstrøm.
    • Felteffekttransistorene kan inndeles etter to ganske forskjellige byggemåter:
      • Junction FET (JFET, Junction; eng: forbindelse, kontakt) og
      • Metall-Oksid FET (MOSFET eller IGFET; eng: Insulated Gate).

I JFET er det en inngangsdiode som sperrer for inngangsstrøm. I MOSFET-en er det et isolerende sjikt av et metalloksid.

Fordi de to hovedtypene er så forskjellige i virkemåten, har terminalene fått forskjellige navn.

  • En bipolar transistor kjenner terminalene kollektor, emitter og base (eller samler, stråler og basis).
  • En felteffekttransistor kjenner de tilsvarende terminalene drain, source og gate (norsk, omtrent: utløp, kilde, port). Man ser lett de funksjonelle sammenhengene i språkbruken.

Andre typer transistorer er:

  • IGBT (eng: Insulated Gate Bipolar Transistor), en slags moderne blandingstransistor med FET-inngang og bipolar kropp. Slike brukes kun til kraftelektronikk.
  • 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.
  • Darlingtontransistorer og Sziklaitransistorer er egentlig ikke egne transistortyper, men transistorkoblinger av to transistorer som brukes som én transistor med spesielle egenskaper, særlig høy strømforsterkning.

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. 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]

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 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 horisontalt. Større spenninger fører til egenledning. 2) Effekthyperbelen, hvor UI = konstant = maksimal effekt. 3) Second breakdown-linjen, som reduserer effekthyperbelen. 4) Maksimal strøm vertikalt, 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. Det var under forsøk på å realisere denne teorien at den bipolare transistoren så dagens lys. Den sistnevnte overtok oppmerksomheten i lang tid slik at det ennå ville vare inntil felteffekttransistoren ble en realitet.

Felteffekttransistoren leder hovedstrømmen gjennom en kanal. Strømmen ledes av ladningsbærere som enten er elektroner (for N-kanal typer) eller hull (for P-kanal typer). 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 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 til 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. 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 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 den 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.

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 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 BJT 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 til 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 BJT 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. Denne mekanismen er et resultat av «Early-effekten» (etter James M. Early).

Transistorkoblinger[rediger | rediger kilde]

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

  • Vi gjør 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.
  • Vi kobler et trinn sammen på en slik måte at de uønskede egenskapene ikke oppstår, gjøres svært små eller kompenseres for, men de ønskede egenskapene gis så gode forhold som mulig.
  • Vi gjør også en utstrakt bruk av negativ tilbakekobling, ofte ganske subtilt som ved en enkel emittermotstand. Negativ tilbakekobling betyr 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
  • Felles-basiskobling: god for HF, lav inngangsimpedans, ingen strømforsterking
  • Felles-kollektorkobling eller emitterfølger, strømforsterkeren
  • Bryteren: gir full spenning, eller ikke, 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 såkalt datablad (eng: datasheet). Databladene spesifiserer alt mulig som konstruktørene kunne tenke seg å være interessert i. Både begrensende og beskrivende tall 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 og opptil 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 spenningsfallet 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.
  • 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