Grunnleggende om transistorer: NPN og PNP med 2N3904, 2N3906, 2N2222 og 2N2907

Utrolig nok ble den første fungerende transistoren erklært for 70 år siden, den 23. desember 1947!¹ Transistoren er sannsynligvis en av de mest revolusjonerende komponentene som noensinne er funnet opp. Den banet vei for integrerte kretser, mikroprosessorer og dataminne.

I denne artikkelen vil vi ta for oss følgende områder;

(klikk på lenken for å hoppe til en hvilken som helst del som passer behovene dine)

• Hva er en transistor?
• Hvordan fungerer en transistor?
• Velge en transistor for konstruksjonen din
• Eksempler på transistorkretser
• Historien bak oppfinnelsen av transistoren
• Referanselenker for videre lesing

Hva er en transistor?

En transistor, også kjent som en BJT (Bipolar Junction Transistor), er en strømdrevet halvlederenhet som kan brukes til å styre elektrisk strømflyt, der en liten mengde strøm i basislederen styrer en større mengde strøm mellom kollektoren og emitteren. De kan brukes til å forsterke et svakt signal, for eksempel en oscillator eller bryter.

De er vanligvis laget av silisiumkrystall, der N- og P-halvlederlag er klemt sammen. Se figur 1 nedenfor.

Figur 1: Figur 1a viser en 2N3904 TO-92-snittvisning som avslører E – emitter-, B – basis- og C – kollektor-ledere bundet til silisium. Figur 1b er hentet fra et radioelektronikkmagasin (Radio-Electronics Magazine)² fra mai 1958 som viser N- og P-type-lagsnitt og -arrangementer (som ble referert til som germanium-materiale på den tiden).

Transistorer er hermetisk forseglet og innkapslet i plast eller en metallkapsling med tre ledere (figur 2).

Figur 2: En størrelsessammenligning og en rekke populære pakketyper.

Hvordan fungerer en transistor?

Vi vil for eksempel vise hvordan en NPN-transistor fungerer. En enkel måte å forstå bryterfunksjonen til en transistor på, er å tenke på vann som strømmer gjennom et rør styrt av en ventil. Vanntrykk representerer «spenning» og vann som strømmer gjennom et rør representerer «strøm» (figur 3). De store rørene representerer kollektor/emitter-grenseskiktet med en ventil derimellom, uttrykt i figuren som en grå oval, som en bevegelig klaff, som aktiveres av strøm fra et lite rør som representerer basisen. Ventilen hindrer vanntrykket i å strømme fra kollektoren til emitteren. Når vann strømmer gjennom det mindre røret (basisen), åpner det ventilen mellom kollektor/emitter-grenseskiktet, slik at vann kan strømme gjennom til emitteren, og videre til jord (jord representerer returen for alt vann eller spenning/strøm).

Figur 3: Denne grafiske framstillingen illustrerer hvordan en transistor fungerer. Når vann strømmer gjennom det mindre røret (basisen), åpner det ventilen mellom kollektor/emitter-grenseskiktet, slik at vann kan strømme gjennom emitteren til jord.

Velge en transistor for konstruksjonen din

Hvis du kun ønsker å slå på en krets eller aktivere en last, er det visse ting du bør ta hensyn til. Fastsett om du vil forspenne (bias) eller strømsette transistorbryteren med positiv eller negativ strøm (dvs. henholdsvis NPN eller PNP). En NPN-transistor styres (eller slås på) av positiv strøm forspent ved basisen for å styre strømføringen fra kollektoren til emitteren. PNP-transistorer drives av en negativ strøm forspent ved basisen for å styre strømflyten fra emitteren til kollektoren. (Vær oppmerksom på at polariteten for PNP er omvendt fra NPN.) Gå til figur 4 nedenfor for å se flere detaljer.

Figur 4: Skjematiske symboler for hver transistortype.

Etter at forspenningen er fastsatt, er den neste nødvendige variabelen spenningen og strømmen som lasten krever for å fungere. Disse vil være minimumsspenningen og merkestrømmen til transistoren. Tabell 1 og 2 nedenfor viser noen populære transistorer og viktige spesifikasjoner, inkludert spennings- og strømgrenser.

  Transistorer, NPN og PNP, blybelagt og overflatemontert

Tabell 1. Populære blybelagte og overflatemonterte NPN- og PNP-transistorer.

Transistorer, NPN og PNP, metallkapsling

Tabell 2. Populære NPN- og PNP-transistorer i metallkapsling.

Eksempler på transistorkretser

Figur 5 nedenfor viser et kretseksempel som slår på kollektor-emitter-grenseskiktet ved å strømsette basisen, eller forspenne transistoren slik at den slår den på, ved å bringe 5 V til basisen via en glidebryter. Dette eksemplet slår på en lysdiode (LED), som i dette tilfellet er lasten. Riktig bruk av motstander for å hindre overstrøm er nødvendig når basisen forspennes. Jeg brukte blybelagte deler i et koblingsbrett (breadboard) til å teste eksempelkretsen min. De fleste konstruktører vil bruke overflatemonterte komponenter (mye mindre størrelse enn en TO-92-pakke) når de skal bruke transistorer i en ny produktkonstruksjon som skal ut på markedet. Her er en lenke som viser ulike kapslingsstørrelser for 3904-transistorer.

Siden 2N3904 er en NPN-transistor, trenger basisen positiv forspenning (passende spenningsnivåer og motstand) for å slå på kollektor-emitter-grenseskiktet for å oppnå riktig strømføring. Bruk av en lastmotstand (R1) er også viktig, slik at det ikke sendes for mye strøm gjennom lysdioden og transistoren. For å få mer informasjon om denne transistoren, kan du se 2N3904-databladet.

Figur 5: 2N3904-kretseksempel for belysning av en lysdiode med en EG1218-glidebryter som viser pinnene C (kollektor), E (emitter) og B (basis) (bildet er tegnet i Scheme-it).

Figur 6 er et eksempel på en nattlyskrets som bruker en PNP-transistor. For å se detaljene for denne kretsen, går du til Digi-Keys tekniske wiki-nettsted og søker etter PNP-nattlys (PNP Night Light).

Figur 6: 2N3906-eksempelnattlyskrets for belysning av en lysdiode med en PDV-P5003-fotocelle (bildet er tegnet i Scheme-it)

Kort historie om oppfinnelsen av transistoren

Hvordan startet det hele? Dette kaninhullet går veldig dypt, men la oss begynne med oppfinnelsen av telefonen. Mange vil hevde hvem som virkelig oppfant den første fungerende elektriske prototypen; imidlertid ble det første patentet innhentet av Alexander Graham Bell 7. mars^th , 1876³ , og senere dannet han det amerikanske telefon- og telegraffirmaet (også kalt AT&T). Bells patent utgikk rundt 1894¹. Selv om AT&T dominerte telefonmarkedet frem til begynnelsen av 1900-tallet, dannet andre selskaper seg og tok kunder fra AT&T. På grunn av dette følte selskapet behov for å fortsette å dominere og utvide markedet sitt. I 1909 ønsket presidenten i AT&T, Theodore Vail¹, å overføre telefonsamtaler på tvers av kontinentet (New York til California). For å gjøre dette trengte de imidlertid en god forsterker eller repeater for å forsterke signalene som beveger seg over lange avstander. Tidligere i 1906 hadde Lee De Forest tatt en idé laget av John A. Fleming (som jobbet for Thomas Edison, og laget en vakuumrør-enhet kalt en «oscillasjonsventil» som brukes til å detektere radiobølger), og modifiserte den for å skape «trioden» (the Triode) – et ineffektivt vakuumrør med 3 terminaler som kunne brukes som en forsterker. I 1912 ble Forest invitert av Harold Arnold fra Western Electric Company (AT&T sin produsent) for å vise frem oppfinnelsen sin. Selv om trioden til Forest fungerte ved lave spenninger, hadde Arnold behov for at den skulle fungere ved høyere spenninger for å lage effektive repeatere som kunne overføre tale over lange avstander. Arnold mente han kunne lage en bedre triode, så han ansatte forskere for å forstå hvordan enheten fungerte og hvordan han kunne forbedre den. I oktober 1913 lyktes han. Det tok ikke lang tid før ble det installert telefonlinjer overalt. Investeringene som AT&T gjorde ved å ansette toppforskere gjennom årenes løp, fikk dem til å innse at denne dype forskningen ga dem en konkurransemessig fordel over konkurrentene, så de dannet «Bell Telephone Laboratories» i 1925.

Mange tusen vakuumrør og reléer var nødvendige for å holde telefonlinjene i gang. Vakuumrør krevde imidlertid mye strøm, var store og brant ofte ut. Mervin Kelly, Bells forskningsleder, fikk en forståelse av den teknologiske utviklingen av krystallikeretteren som ble brukt til å muliggjøre radar under 2. verdenskrig, og hadde en anelse om at halvledere (solid-state-enheter) kunne være løsningen når det kom til å lage en enhet som var i stand til å erstatte de dyre, upålitelige vakuumrørene. Kelly oppsøkte en av de strålende fysikerne deres, William Shockley, for å formidle visjonen han hadde om å forbedre komponentene som brukes til å overføre tale over ledninger. Kelly delte hvor lettet han ville bli når støyende mekaniske reléer og strømsultne vakuumrør en dag ville bli erstattet av elektronisk halvleder-utstyr. Dette gjorde et stort inntrykk på Shockley, så dette ble hovedmålet hans. Kelly ga Shockley ansvaret for å finne en måte å få til dette på.

Han var en strålende teoretiker, men ikke så god til å konstruere idéene sine. Shockley hadde gjort flere forsøk på å bevise en idé han hadde om felteffektoverføring av elektroner for å koble sammen to sider av en halvleder ved å aktivere en plate over halvlederne. Han lyktes ikke. Frustrert henvendte han seg til to andre fysikere ved Bells laboratorier, John Bardeen (et geni innen elektronteori i halvledere) og Walter Brattain (svært god med prototyping og bruk av laboratorieutstyr). De ble en del av teamet hans. Shockley lot tomannsteamet jobbe på egen hånd. I årenes løp ble det gjort mange forsøk på å få felteffekten til å fungere, men dette lyktes aldri. De gjennomgikk beregningene sine, og i teorien burde dette ha fungert. Bardeen og Brattain eksperimenterte med tynne lag av silisium og germanium for å få felteffekten til å fungere. Høsten 1947 dukket et tegn på fremgang opp da Brattain hadde problemer med kondensasjon av vann på halvlederens overflate. I stedet for å la den tørke ut, plasserte han en dråpe vann på silisiumet, strømsatte platen over den og la merke til en forsterkende effekt. Vanndråpen bidro til å bryte overflatebarrieren som igjen bidro til å skape elektronstrømmen, men den var treg og ikke i stand til å forsterke talesignaler, noe som var nødvendig for å kunne overføre tale.

I desember 1947 (bemerket som Mirakelmåneden) fikk de idéen om å eliminere mellomrommet av felteffekten, fjerne vannet og lage en gullkontakt for å berøre halvlederen. De gikk over til germanium, som var lettere å jobbe med på denne tiden, og isolerte det med en tynn oksidfilm som naturlig dannes på germanium. Mange tester ble utført uten hell. Så i midten av desember, tilsynelatende ved et uhell, hadde Walter Brattain utilsiktet vasket av oksidbelegget, noe som gjorde at gullkontakten kom i direkte kontakt med germaniumet! Bingo!!! Han hadde oppdaget god forsterkning og transistoren var funksjonell. I stedet for at elektroner ble trukket til halvlederens overflate, slik Shockleys felteffektidé teoriserte, hadde Brattain/Bardeen oppdaget at ved å bringe halvlederen i kontakt med en gullkontakt, injiserte de hull i halvlederen, slik at elektrisiteten kunne strømme. Rundt midten av desember 1947, uten Shockleys viten, begynte de å lage en funksjonell prototype. Brattain satte sammen et apparat i form av en plasttrekant med gullfolie langs de skrå kantene, og laget en spalte så tynn som et barberblad i trekantpunktet. Det var en ekstremt upolert prototype. De brukte en binders omformet til en fjær til å presse trekanten inn i den tynne germanium-halvlederen, på oversiden av en tynn kobberplate, der det var to ledninger – en i hver ende av trekanten. Kobberplaten under germaniumskiven fungerte som 3^rd bly, hvis du vil (Figur 7). Det endte med at den ble kalt punkttransistor (Point Contact Transistor).

Brattain og Bardeen ringte Shockley for å fortelle ham de gode nyhetene. Forskningen min antyder at Shockley hadde blandede følelser, glad for at den var funksjonell, men skuffet over at det ikke var han som hadde skapt den. Demonstrasjonen til Shockleys sjefer kom en uke etter at de oppdaget den 23. desember^rd , 1947 (den ble kunngjort offentlig 30. juni 1948). Senere ble det tatt et bilde på dette tidspunktet for historieboken (figur 8). Shockley visste at den skjøre punkttransistoren ikke ville være lett å produsere, og han var svært motivert til å prøve å gjøre den bedre (på egen hånd). Shockley arbeidet febrilsk for å prøve å løse problemet på sin måte… og dokumenterte tankene sine om å prøve å gjøre den mer integrert ved å legge halvledermaterialene sammen i lag. Mye mer forskning var involvert for å fullføre teorien for innlevering av patent på kryssstransistoren (arkivert 25. juni^th , 1948). En funksjonell npn-kryssstransistor ble demonstrert 20. april^th , 1950 (aktivert av arbeidet til Gordon Teal og Morgan Sparks). Detaljene rundt alt dette går mye dypere enn du kan forestille deg⁴.

Nobelprisen for oppfinnelsen av transistor-effekten ble gitt til William Shockley, John Bardeen og Walter Brattain 10. desember 1956.

Figur 7: Punkttransistoren (gjenbrukt med tillatelse fra Nokia Corporation)

Figur 8: John Bardeen, venstre, William Shockley, midten og Walter Brattain, høyre. (Gjenbrukt med tillatelse fra Nokia Corporation)

Referanser

1. Riordan, Michael og Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958. «Ten years of Transistors», Radio-Electronics Magazine, mai, side 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. «ALEXANDER GRAHAM BELL». Hentet 19. des. 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson og Conyers Herring. 1999. «The Invention of the Transistor», Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Ytterligere informasjon finnes på http://www.pbs.org/transistor/