Transistor

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Innhold 1 Allment 2 Den bipolare transistoren 2.1 Modell og matematikk 2.2 Second breakdown 3 Felteffekt-transistorene 3.1 JFET 3.2 MOSFET 4 Metning 5 Transistorkoplinger 5.1 Spesifisering av bipolare transistorer

[rediger] Allment

En transistor er en av de to viktigste aktive elektroniske komponenter som er i bruk. Den andre er radiorøret. Andre aktive elementer eksisterer kun i nisjer. Med en transistor kan en større elektrisk signalenergi styres ved hjelp av en mindre.

At en komponent betegnes som aktiv betyr at den kan anvendes til å forsterke et signal effektmessig. Som en tommelregel eller en slags definisjon kan en si at en trenger en aktiv komponent for å lage en oscillator. En transformator er en passiv komponent som kan fremvise en spennings- men ikke en effektforsterkning.

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 1947, og sammensatte krystaller som galliumarsenid og indiumfosfid er i bruk i dag for spesielle anvendelser. Krystallmaterialet i transistoren blir målrettet forurenset, eller dopet, med atomer av andre grunnstoffer for å påvirke ledningsevnen og -måten. Forskjellige deler av transistoren blir dopet med forskjellige stoffer for å danne grunnlaget for transistorfunksjonen. I hovedsak dannes det derav interne sjikt som betegnes P for positiv og N for negativ. Navnet er gitt etter den prinsipielle ladningsbæreren i sjiktet, P står for hull og N for elektroner. Overgangen mellom to slike soner kalles en PN-overgang og danner en diode. En utførlig artikkel om dioder og PN-overganger finnes her på engelsk: Diode.

Småsignaltransistorer kan lages ekstremt små; det er plass til mere enn en million av dem på en kvadratcentimeter. På grunn av effekttap og varmeavledning fremstilles transistorene mye større når de skal styre store strømmer.

Transistoren har tre tilkoplinger, eller terminaler, hvor et par av dem utgjør styresiden og den tredje, mot en av de to andre, 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 hvor IG er eng: Insulated Gate).

I Jfet er det en inngangsdiode som sperrer for inngangsstrøm, i MOSFETen 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 Basis. (Norsk, omtrent: Samler, Stråler, 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 transistorkoplinger av to transistorer som brukes som én transistor med spesielle egenskaper, særlig høy strømforsterkning.

• Omtrent samtlige transistortyper er listet her: T-Transistor.com

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.

[rediger] Den bipolare transistoren

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 β. 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 ulinjære komponenter. Inngangen er en diode mellom basis og emitter, og utgangen er en styrt, ulinjær strømleder mellom kollektor og emitter. (Se formler nedenfor.) For det aller meste er vi enten interessert i en linjær sammenheng mellom inn- og utgangssignaler, eller å bruke transistoren som en bryter med tilstandene 'på' og 'av'.

[rediger] Modell og matematikk

For transistorer, som ved de fleste mekanismer, kan en lage modeller som mere eller mindre nøyaktig beskriver dem eller viktige deler av deres oppførsel. En enkel men ganske nøyaktig modell av forsterkningen får vi mad Ebers-Moll's modell. Den ser på hfe som konstant og uttrykkes

hvor

• er emitterstrømmen
• er kollektorstrømmen
• kalles felles base forover kortslutningsstrømforsterkning (0.98 to 0.998)
• kalles revers metningsstrøm av base-emitter dioden (størrelse omtrent 10⁻¹⁵ til 10⁻¹² ampere)
• er den såkalte termiske spenningen (omtrent 26 mV ved romtemperatur ≈ 300 K).
• er base-emitter spenningen
• 

Den termiske spenningen er gitt av

hvor

• k er Bolzmanns konstant = 1.38 \cdot 10^-23
• ^{T er den absolutte temperaturen i Kelvin = 273.15 + °C}
• ^{q er elektronets ladning = 1.6 \cdot 10-19 Colomb}

^{Ebers-Moll modell fører til ligninger som sier at transistoren i prinsippet er en transkonduktansforsterker, 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-spenningsomvandler i denne koplingen og gir trinnet en spenningsforsterkning på U(ut)/U(inn) = -R*I(ut)/U(inn). Det negative fortegnet kommer av at trinnet snur signalfasen; høyst innsignal gil 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 ulinjæritet - eksponensialfunksjonen - for en spenningsstyring. Med strømstyring er det i praksis mye lettere; strømforsterkningen er noenlunde konstant, som nevnt over.}

^{Videreførende, mere nøyaktige modeller er fremfor alt viktig i elektroniske kretssimulatorer som med datakraft prøver å etterligne oppførselen til elektriske og elektroniske koplinger 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.}

^{[rediger] Second breakdown}

^{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 de høyeste. Dette igjen fører til at de varme punktene får mere tilført effekt enn de andre stedene. Dette er en positiv tilbakekopling 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 U*I = 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 derved automatisk beskyttet mot dette fenomenet. Dette gjør at MOSFET krafttransistorer er ganske robuste.}

^{[rediger] Felteffekt-transistorene}

^{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 enda 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.}

^{[rediger] JFET}

^{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.}

^{[rediger] MOSFET}

^{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 MOSFETen mange fordeler som gjør at den er blitt svært utbredt. Den er blitt praktisk enerådende i digitale integrerte kretser som mikroporosessorer. Det finnes to forskjellige typer MOSFETS. 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 til 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's. Strømkravet kan bli riktig stort i en felles-sourcekobling med stor spenningsforsterkning. Her koples signalet tilbake fra drain til gate over DG-kondensatoren i motfase av gatespenningen. Se kaskode for utdypning.}

^{[rediger] Metning}

^{En BJT transistor oppviser en metningsspenning (mellom kollektor og emitter) når den blir drevet, eller styrt, til metning. Metning er en tilstand hvor enda mere påtrykk ikke endrer noe i responsen. FET'er er andreledes 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 mere påtrykk fører ikke til mere kollektorstrøm. Denne mekanismen er et resultat av "Early-effekten". (Etter James M. Early.)}

^{[rediger] Transistorkoplinger}

^{For å få den høyst ulinjære komponenten transistor til å gi oss nesten helt linjære 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 linjære strøm-til-spennings-omvandlere og omvendt. Motstander brukes også som spenningsdelere til å sette opp arbeidsbetingelsene for transistoren.}
• ^{Vi kopler 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 tilbakekopling, ofte ganske subtilt som ved en enkel emittermotstand. Negativ tilbakekopling betyr at vi øker linjæritet mot å gi fra oss forsterkningsmengde.}
• ^{Vi finner opp en rekke transistorkoplinger med funksjoner som vi kan anse som byggeklosser som det er lett å sette sammen.}

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

• • ^{1 transistor}
• ^{Felles-emitterkoplingen, det typiske én-transistors forsterkertrinn}
• ^{Felles-basiskoplingen, god for HF, lav inngangsimpedans, ingen strømforsterking}
• ^{Felles-kollektorkopling, 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 tilbakekopling (2+)}
• ^{V_BE-strekker, brukes som enkel småspennings forsyning, ofte til forspenningskontroll av utgangstrinnet i effektforsterkere}
  • ^{2 transistorer}
• ^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}

^{[rediger] Spesifisering av bipolare transistorer}

^{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 V_CEO. Det gjelder i hovedsak kollektordiodens sperrespenning. Det vanlige området er 30 til 80 V, men det finnes spesialtyper som tåler flere tusen volt. Hvis spenningen overskrides vil krystallet begynne å lede på samme vis som en Zenerdiode. Dette er i seg selv ikke destruktivt, men transistoren skades dersom krystalltemperaturen blir for høy på grunn av effekttapet.}
• ^{Maksimal strøm i kollektoren I_Cmax. 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 h_fe eller β. 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 V_EB0. Denne gjelder for sperreretningen av BE-dioden og er oftest å finne i 5-6 V området. Dioden oppfører seg her som en Zenerdiode.}
• ^{Maksimalt tillatelig tilført effekt P_tot. 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 allmenhet med at for silisium øker feilkvoten til det dobbelte for hver 10 grader økning av temperaturen.}
• ^{Termisk motstand R_th oppgis i grader K per Watt. Denne beskriver hvor godt varmen ledes fra krystallet til overflaten eller kjøleflaten for effekttransistorer.}
• ^{Metningsspenningen V_CEsat. 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. Engelsk: Cutoff current I_CB0. 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. C_CB. Denne kalles også millerkapasiteten og kan begrense øvre grensefrekvens. Se kaskode.}
• ^{Transisjonsfrekvensen f_T. Ved denne frekvensen er strømforsterkningen lik 1. f_T er derfor den høyeste frekvensen som kan forsterkes.}
• ^{Støytallet F. F angis i dB ved gitte betingelser.}