Transistor – halvledarkomponent för förstärkning och digitala växlar

Lär dig om transistorn, halvledarkomponenten som möjliggör förstärkning och digitala växlar i allt från ljudförstärkare till mikroprocessorer (MOSFET).

En transistor är en elektronisk komponent som kan användas både som en del av en förstärkare och som en omkopplare. Den är tillverkad av ett halvledarmaterial, oftast kisel, och finns i praktiskt taget alla moderna elektroniska apparater. Transistorn var ett stort tekniskt framsteg jämfört med vakuumröret (till exempel trioden): den är mycket mindre, drar mindre effekt, reagerar snabbare och har betydligt längre livslängd när den används för att förstärka eller styra elektriska strömmar.

Hur transistorn fungerar – grundprinciper

En transistor styr flödet av elektroner (eller hål) genom ett halvledarmaterial med hjälp av spännings- eller strömsignaler. Beroende på typ består den av tre terminaler som kallas:

• För en bipolär transistor (BJT): emitter, bas och kollektor.
• För en fälteffekttransistor (FET, t.ex. MOSFET): källa, grind och dräner (source, gate, drain).

Genom att förändra spänningen eller strömmen till den styrande terminalen (bas eller grind) kan man kraftigt ändra strömmen som flyter mellan de andra två terminalerna. Det gör transistorn användbar både som analog förstärkare (kontrollerad förstärkning) och som digital omkopplare (på/av).

Vanliga typer av transistorer

• Bipolär transistor (BJT) – finns i varianterna NPN och PNP. BJT styrs med en basström och används ofta i analoga kretsar där godt gain och linjära egenskaper krävs.
• MOSFET – vanligast i digitala kretsar och i strömbrytande applikationer. Finns som n-kanal och p-kanal, och i lägena enhancement eller depletion. MOSFETs har hög ingångsimpedans och är lämpliga för integration i mycket stora mängder på en chip (t.ex. mikroprocessorer).
• Junction FET (JFET) – enklare fälteffekttransistor som används i vissa signalväxlar och förstärkningssteg.
• Effekttransistorer – byggda för att hantera höga strömmar och spänningar, ofta i separata förpackningar med kylflänsar.

Användningsområden

• Analoga förstärkare i ljudutrustning, radiosändare och mätinstrument.
• Digitala växlar i logikkretsar, minnen och datormikroprocessorer — där MOSFETs nästan uteslutande används.
• Effektstyrning i motorstyrningar, switchade nätaggregat och solinverteringar.
• Högfrekventa tillämpningar i RF-förstärkare och sändare.
• Temporära skyddskretsar och sensorer, samt som byggstenar i integrerade kretsar (integrerade kretsar).

Egenskaper och driftlägen

Transistorer har flera viktiga elektriska egenskaper: förstärkningsfaktor (beta eller hFE för BJT), tröskelspänning (Vth för MOSFET), mättnad och cutoff-tillstånd (särskilt viktiga vid användning som switch) samt frekvensbegränsning som bestämmer hur snabbt de kan växla.

Vanliga driftlägen för en transistor är:

• Cutoff – avstängd, ingen ledning.
• Aktivt område – används i förstärkare där en liten förändring i styrsignalen ger en större förändring i utström.
• Mättnad – fullt på, används i av/på-sammanhang för att minimera spänningsförlust.

Tillverkning och förpackning

De flesta transistorer tillverkas i kisel med mycket ren process och fotolitografi. I vissa specialfall används germanium eller förenade halvledare (till exempel GaAs) för särskilda frekvens- eller temperaturkrav. Transistorer kan förekomma som individuella, diskreta komponenter i olika paket (TO-220, TO-92 med flera) eller integrerade i stora mängder på ett chip som en del av en integrerad krets. Högeffektstransistorer förses ofta med kylfläns eller monteras i paket som möjliggör anslutning till kylning.

Fördelar och begränsningar

• Fördelar: lågt effektbehov, liten storlek, hög pålitlighet, snabb växling, lätt att integrera i stora mängder (särskilt MOSFET-teknik).
• Begränsningar: termisk hantering (värmeutveckling vid hög effekt), brus i analoga kretsar, känslighet för överspänning och elektrostatiska urladdningar (särskilt MOSFET). Vid höga effekter kan även mekaniska förpackningskrav och kylning bli avgörande.

Historia i korthet

Den första fungerande transistorn uppfanns 1947 av John Bardeen och Walter Brattain vid Bell Labs, och vidareutvecklades av William Shockley. Upptäckten ledde till en snabb utveckling av elektronik och senare till mikroelektronikens era, där transistorn ersatte vakuumröret i de flesta applikationer.

Praktiska råd

• Vid konstruktion: välj transistor efter krav på spänning, ström, effektförlust (P = V·I) och frekvens. Kontrollera också ingångskapacitans och växlingstider vid snabba tillämpningar.
• Skydd: använd värmeavledning och, vid behov, skydd mot överström och överspänning.
• Hantering: undvik ESD (elektrostatisk urladdning) vid hantering av känsliga MOSFETs genom jordning och ESD-skydd.

Sammanfattningsvis är transistorn en central byggsten i modern elektronik, med många varianter anpassade för allt från små signaler i hörlurar till stora strömmar i kraftomriktare och miljarder små transistorer som utgör dagens datormikroprocessorer.

Hur de fungerar

Transistorer har tre terminaler: grinden, dräneringen och källan (i en bipolär transistor kan trådarna kallas emitter, kollektor och bas). När källan (eller emittern) är ansluten till batteriets negativa pol och dräneringen (eller kollektorn) till den positiva polen, kommer ingen elektricitet att flöda i kretsen (om du bara har en lampa i serie med transistorn). Men när du rör grinden och dräneringen tillsammans kommer transistorn att släppa igenom elektricitet. Detta beror på att när grinden är positivt laddad kommer de positiva elektronerna att trycka på andra positiva elektroner i transistorn och släppa igenom de negativa elektronerna. Transistorn kan också fungera när grinden bara är positivt laddad, så den behöver inte röra vid dräneringen.

Visualisering

Ett enkelt sätt att tänka på hur en transistor fungerar är som en slang med en skarp krök som hindrar vattnet från att passera. Vattnet är elektronerna, och när du laddar grinden positivt bryter den upp slangen och låter vattnet flöda.

Den grundläggande Darlington-transistorkretsen består av två bipolära transistorer som är kopplade emitter till bas så att de fungerar som en transistor. En av transistorerna är ansluten så att den styr strömmen till basen på den andra transistorn. Detta innebär att man kan styra samma mängd ström med en mycket liten mängd ström som går till basen.

När centerpinnen är strömförsörjd kan strömmen flöda.


Kretsymbolen för en Darlington-transistor. "B" står för bas, "C" står för kollektor och "E" står för emitter.

Sök med bokstav