Transistor

De transistor is op 17 november 1947 uitgevonden door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley, die daarvoor in 1956 de Nobelprijs voor natuurkunde kregen. De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woorden "transfer", of ...

"transconductance", (overdracht) en "varistor" (variabele weerstand, variable resistor), bedacht door John R. Pierce een collega van Bardeen die sciencefiction boeken schreef (Bardeen ca. 1965, priv. comm.).

Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term "transresistance", de pendant van "transconductance" van elektronenbuizen, en in lijn met termen als varistor, resistor en thermistor.

Het onderscheid tussen elektrotechniek en elektronica wordt doorgaans gemaakt op basis van de aanwezigheid van actieve componenten, waarvan de transistor de belangrijkste is, als halfgeleider voor sturing van vrije ladingdragers op het terrein van vastestoffysica.

De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woorden "transfer", of "transconductance", (overdracht) en "varistor" (variabele weerstand, variable resistor)[2], bedacht door John R. Pierce een collega van Bardeen die sciencefiction boeken schreef (Bardeen ca. 1965, priv. comm.) Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term "transresistance", de pendant van "transconductance" van elektronenbuizen, en in lijn met termen als varistor, resistor en thermistor. Het onderscheid tussen elektrotechniek en elektronica wordt doorgaans gemaakt op basis van de aanwezigheid van actieve componenten, waarvan de transistor de belangrijkste is, als halfgeleider voor sturing van vrije ladingdragers op het terrein van vastestoffysica.

Het Nederlandse meervoud is transistors of transistoren. In het jargon van elektronici zegt men tor en torren, het laatste dus met een dubbele

Bipolaire transistor
Een transistor op zich kan geen stromen of spanningen opwekken. Wel kan een transistor stromen versterken. De werking kan het gemakkelijkst verklaard worden door de transistor op te nemen in een eenvoudig circuit: zie de illustratie. Tussen de basis en de emitter van een transistor bevindt zich een overgangslaag waarvan de doorlaatbaarheid voor elektrische stroom beïnvloed kan worden door een potentiaalverschil tussen basis en emitter te variëren. Bij toenemende spanning Ub gaat een (relatief kleine) stroom Ib in de “basis” van de transistor lopen. Daardoor worden ladingsdragers in de uitputtingszone gebracht, zodat bij een voldoende spanningsverschil (U) tussen collector en emitter er een stroom door dat deel van de transistor gaat lopen. Die stroom (collectorstroom) is afhankelijk van de basistroom en is een veelvoud daarvan. Op deze wijze is de transistor op te vatten als een stroomversterker (stroomregelaar). De stroomversterkingsfactor wordt vaak aangegeven met het symbool ? ( = Ic/Ib) of Hfe en kan, afhankelijk van het type transistor, tussen 20 en 800 bedragen.

Er is echter een maximum aan de grootte van Ib en Ic. Indien ervoor wordt gezorgd dat Ib varieert tussen maximum en minimum stroom, dan kent de schakeling twee toestanden: die van geleiding en van niet-geleiding. Op die manier kan de schakeling als bouwelement van een digitaal systeem gebruikt worden.

De bipolaire transistor is een actieve elektronische halfgeleidercomponent. Doorgaans wordt de bipolaire transistor kortweg transistor genoemd, maar buiten de bipolaire transistors bestaan er ook andere soorten transistoren, zoals de veldeffecttransistor (FET; Field Effect Transistor).

Er kunnen twee soorten bipolaire transistoren worden onderscheiden:

De PNP-transistor = (n-halfgeleiderlaag ingesloten door twee p-halfgeleiderlagen)
De NPN-transistor = (p-halfgeleiderlaag ingesloten door twee n-halfgeleiderlagen)

Werking
Een - zeer vereenvoudigde - beschrijving van de werking van de (bipolaire) transistor is als volgt. Als voorbeeld nemen we een NPN-transistor. Bij zo'n NPN-transistor is de collector meestal (indirect) verbonden met de positieve voedingsspanning en de emitter (indirect) met de negatieve voedingsspanning. De PN-overgang van basis naar emitter is daarbij in doorlaatrichting geschakeld, maar de PN-overgang tussen basis en collector in sperrichting, met als gevolg dat daaruit ladingsdragers verdwijnen en er geen stroom van collector naar emitter kan lopen. Als nu stroom van de basis naar de emitter loopt, worden er ladingsdragers in de uitputtingszone gebracht, die het mogelijk maken dat er stroom van de collector naar de emitter loopt. Deze stroom kan een veelvoud zijn van de basisstroom. Op deze wijze veroorzaakt het stroompje van de basis (B) naar de emitter (E) (in de richting van de pijl in het plaatje) een stroom van collector (C) naar emitter volgens:

Ook is volgens de stroomwet van Kirchhoff:
Hierin is Ic de collectorstroom, Ib de basisstroom, Ie de emitterstroom en ? de stroomversterkingsfactor.

Een PNP-transistor werkt hetzelfde als een NPN-transistor, alleen gaat er bij een PNP-transistor een stroom lopen van de emitter naar de collector als er stroom van de emitter naar de basis wordt opgedrukt. De stromen en spanningen bij een PNP-transistor zijn dus tegengesteld aan die van een NPN-transistor.

Populair gezegd kan met een kleine spanning de weerstand tussen de twee andere pootjes geregeld worden. Op die manier kan met een kleine stroom of spanning een veel grotere stroom gestuurd worden en zo werkt de transistor dus als versterker.

In tegenstelling tot de Veldeffecttransistor (FET), loopt er bij de bipolaire transistor een stroom door de basis van de transistor.

Met veel multimeters kan men de versterkingsfactor van bipolaire transistoren meten. Hiervoor zijn er zes gaatjes aanwezig, waarbij aangegeven staat wat de emitter, collector en basis zijn, en waar de pootjes van de bipolaire transistor in kunnen worden gestoken.

Voorbeeld
Een transistor als deel van een schakeling. De curves Ub, Ib en Ic geven ter illustratie, een tijdsafhankelijk verloop aan; U is spanning, I is stroom. Aan de basis wordt een ingangssignaal aangeboden: een spanning Ub, die een ingangsstroom Ib veroorzaakt. Daardoor komt de transistor “in geleiding”; het geleidingsvermogen van het circuit van batterij, weerstand Rc en van collector naar emitter, neemt toe, waardoor de stroom Ic kan gaan vloeien. Met een kleine stuurstroom Ib kan een veel grotere stroom Ic worden geregeld.

Fototransistor
Een speciaal geval is de fototransistor, een bipolaire transistor waarvan de pn-overgang tussen basis en emitter voor licht toegankelijk is. Sturing vindt hier plaats door het invallende licht.

FET
Een kleine stuurspanning op de gate van een FET beïnvloedt de weerstand van het kanaal tussen source en drain, waardoor de grotere stromen die in dit kanaal kunnen lopen geregeld kunnen worden. Een essentieel verschil tussen een bipolaire transistor en een FET is dat bij de bipolaire transistor de collectorstroom wordt geregeld door een stroom (door de basis van de transistor), terwijl bij de FET de sourcestroom wordt geregeld door een spanning (op de gate).

Toepassing
IC's (soms ook chips genoemd) zijn opgebouwd met (soms miljarden) transistoren als basis. In digitale chips worden transistors niet als analoge versterker gebruikt, maar als elektronische schakelaars.

Vóór de uitvinding van de transistor gebruikte men elektronenbuizen of relais voor dit soort toepassingen. Sommige computers bestonden toen uit een hele kamer vol elektronenbuizen. Aangezien elk van die buizen een beperkte levensduur had, moest er geregeld een buis vervangen worden en moesten delen van berekeningen weer over gedaan worden. Voor telefooncentrales die met relais gebouwd werden golden vergelijkbare problemen.