Transistor

Inledning

Transistorer kan delas in i två huvudtyper, bipolära transistorer baserade på PN-övergångerar (NPN eller PNP polaritet) samt unipolära fälteffekttransistor (N-kanal eller P-kanal) med undergrupperna utarmningstyp och anrikningstyp. En transistor har vanligen tre anslutningar (elektroder) som, grovt förenklat, tillåter en spänning eller ström på en av anslutningarna att styra strömflödet genom de två andra. De fysikaliska processerna bakom denna så kallade transistoreffekt är mycket skilda hos de två transistortyperna, vilket återspeglas i deras symboler.

Transistorn är en nyckelkomponent inom modern elektronik. I digitala kretsar verkar flera sammankopplade transistorer som snabba omkopplare och bygger därigenom upp till exempel logiska grindar och RAM-minnen. I analogaa kretsar används transistorer för linjär eller icke linjära förstärkare samt för många andra (mestadels) kontinuerliga funktioner som byggs upp tillsammans med passiva komponenter.

Ordet transistor är en sammandragning av transfer-resistor (ung. 'överförings-motstånd'). Transistorn liknades alltså vid ett slags styrbart motstånd med kontrollerbar resistans vilket var en träffande liknelse - för fälteffekt-transistorer, dock användes termen främst i samband med beskrivningen av den första bipolära transistorn, spetstransistorn.

Historia

Transistorn uppfanns 1947 av tre forskare vid Bell Laboratories i USA, John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley, som erhöll nobelpriset i fysiket för detta 1956. Transistorn kom snart att ersätta det betydligt större och mer effektkrävande elektronrör. De tekniska landvinningarna inom transistortillverkningen ledde i mitten av 1960-talet till integrerade kretsar.

Inflytande

Transistorn anses av många vara en av de största uppfinningarna i modern historia, i samma klass som boktryckarkonstenen, bil, och telefonen. Transistorer är nyckelkomponenter i nästan all modern elektronik. Den stora användningen av transistorer beror på att de är billiga att masstillverka genom högautomatiserade processer som driver ner kostnaden av en enskild transistor till nästan ingenting.

Trots att diskreta (d.v.s. separata) transistorer masstillverkas så fabriceras den överväldigande mängden av transistorer i integrerad form, på integrerade kretsar (eller mikrochips, chips). I kombination med främst dioder och resistorerer, men även kondensator och andra komponenter, bildar de färdiga elektroniska kretsar. En logik-grind brukar består av mellan två och tiotalet transistorer (beroende på typ, teknologi, och sammanhang). En enklare mikroprocessor kan göras med ca 2500 transistorer medan en avancerad processor år 2007 kan ha nästan 300 miljoner transistorer inklusive integrerade cacheminnen (som utgör merparten transistorer).

Transistorns låga kostnad, och därigenom digitala datorers låga kostnad, har skapat en trend där information digitaliseras i en ökande takt. Eftersom datorer har förmågan att snabbt söka igenom, sortera, och behandla digital information läggs mer och mer anstränging ner på att göra information tillgänglig direkt i digital form. Mycket media levereras idag direkt i digital form (musik på cd-rom, film på dvd) för att sedan omvandlas till analog form med hjälp av datorer och digital-analoga transistorkretsar.

Transistortyper

Utöver de två typerna av transistorer som nämndes ovan kan man även kategorisera transistorer baserat på bl.a.:

Halvledarmaterial: germanium, kisel, galliumarsenid, kiselkarbid, indiumfosfid
Polaritet: NPN, PNP, P-channel, N-channel
Maximaleffekt: småsignal-, högeffektstransistorer
Tillämpningsområde: switch, audio, digitallogik, högspänning

Småsignaltransistorn kan vara optimerad för lågt brus och/eller hög frekvens. Switchtransistorerna skall vara snabba och ha lågt bottenspänningsfall. Effekttransistorn skall, som namnet anger, klara effekt, ofta i kombination med andra egenskaper som hög ström- och spänningstålighet.

Polaritet

Såväl bipolära som fälteffekttransistorer görs i komplementära utföranden, s.k. polariteter, som är varandras spegelbild, det vill säga att strömmar och spänningar har motsatta tecken. De bipolära utförandena kallas NPN och PNP, och fälteffekttransistorerna N-kanal och P-kanal. Fälteffekttransistorer har dessutom två ytterligare huvudgrupper beroende på styrelektrodens utförande: JFET (junction field effect transistor), med en PN-övergång, och MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) med ett skikt av kiseldioxid.

I fråga om funktionssätt finns ingen skillnad mellan en PNP- och en NPN-transistor. Men den motsatta polariteten gör att strömmarna flyter i motsatt riktning.

Tillverkning

Den idag vanligaste transistorkonstruktionen är yttransistorn (planartransistorn). Den kan tillverkas billigt genom att man i ett fotolitografiskt förfarande i ett steg framställer hundratals transistorer ur en och samma kiselplatta (wafer). Förfarandet används för såväl låg- som högeffektstransistorer. Den s.k. spetstransistorn, i vilken anoden är en tunn tråd som svetsats fast mot en kristallplatta, förekommer enbart vid högfrekventa applikationer.

Germanium var grundmaterialet för de första halvledarkomponenterna. Materialet ger dåliga högfrekvensegenskaper, hög temperaturdrift och lägre temperaturtålighet än kisel. En fördel är det låga bottenspänningsfallet som gör att germaniumtransistorer kan vara att föredra i effekttransistorer, till exempel för spänningsomvandlare.

Kisel är det material som dominerar idag. Kisel är billigt och det går att producera mycket snabba transistorer med en förstärknings/bandbreddsprodukt (fT) upp till många GHz, spänningar kring 1000 V eller mer. Det förekommer transistorer i kraftsammanhang som klarar 1000-tals ampère. Man kan dock inte få allt samtidigt. Transistorerna är som regel byggda för småsignals-, switch- eller effekttillämpningar.

Vissa transistorer, till exempel HF-effektransistorer, har en speciell uppbyggnad med uppdelade funktioner, till exempel en stor mängd emittrar, för att klara hög effekt samtidigt som högfrekvensegenskaperna är goda.

Till skillnad från kisel är III-V materialen dyra. III-V materialen kallas så därför att de är sammansatta av material i det periodiska systemets kolumner tre och fem. Det betyder materialkombinationer som galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP). Galliumarsenid används framförallt inom mikrovågsområdet. Fälteffekttransistorer (FET) i galliumarsenid, GaAsFET, har lågt brus och är särskilt lämpliga i ingångssteg för, till exempel, radar- och satellitmottagareen. De ger låg intermodulation men är känsliga för överspänningar och speciellt för elektrostatiska urladdningar innan de är inlödda i kretsarna. Indiumfosfid används i huvudsak inom optoelektronik.

Externa länkar

Faktabanken: Om transistorer