Basisprincipes van transistors: NPN & PNP met gebruikmaking van 2N3904, 2N3906, 2N2222 en 2N2907

De eerste werkende transistor werd 70 jaar geleden geboren, op 23 december 1947!¹ De transistor is waarschijnlijk een van de meest revolutionaire componenten die ooit zijn uitgevonden. Hij maakte de weg vrij voor de creatie van geïntegreerde schakelingen, microprocessors en computergeheugens.

In dit artikel zullen de volgende onderwerpen aan bod komen;

(klik op de link om naar het gewenste onderwerp te gaan)

• Wat is een transistor?
• Hoe werkt een transistor?
• Een transistor kiezen voor je toepassing
• Voorbeelden van transistorschakelingen
• De geschiedenis achter de uitvinding van de transistor
• Referentielinks voor verdere studie

Wat is een transistor?

Een transistor, ook wel bekend als BJT (bipolaire junctietransistor), is een stroom-gestuurde halfgeleiderinrichting die kan worden gebruikt om elektrische stroom te regelen, waarin een kleine hoeveelheid stroom in de basisgeleider een grotere stroom tussen de collector en emitter regelt. Transistors kunnen worden gebruikt om een zwak signaal, zoals een oscillator of een schakelaar, te versterken.

Ze zijn gewoonlijk gemaakt van siliciumkristal waar halfgeleiderlagen van het type N & P als een sandwich tegen elkaar aan geklemd zijn. Zie Afbeelding 1 hieronder.

Afbeelding 1: Afbeelding 1a toont een opengewerkte tekening van 2N3904 TO-92 die aan silicium gebonden geleiders van E - Emitter, B - Basis en C – Collector laat zien. Afbeelding 1b komt uit het Radio-Electronics Magazine van mei 1958² en toont de lagen van het type N & P en opstellingen (in die tijd werd hiernaar verwezen als Germanium-materiaal).

Transistors zijn hermetisch afgesloten en ingekapseld in plastic of een metalen bus met drie geleiders (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: een vergelijking tussen maten en verschillende populaire pakkettypes.

Hoe werkt een transistor?

Bij wijze van voorbeeld zullen we laten zien hoe een NPN-transistor werkt. Een eenvoudige manier om zijn functie als schakelaar te zien, is te denken aan water dat door een buis stroomt, geregeld door een klep. De waterdruk is de ‘spanning’ en het water dat door de buis stroomt is de ‘stroom’ (Afbeelding 3). De grote buizen representeren de collector/emitter-junctie met een klep ertussen, op de afbeelding weergegeven als een grijze ovaal, als een beweegbare flap, die wordt geactiveerd door stroom uit een kleine buis, die de basis voorstelt. De klep voorkomt dat de waterdruk van de collector naar de emitter kan gaan. Wanneer het water door de kleinere buis stroomt (de basis), opent het de klep tussen de collector/emitter-junctie, waardoor het water door de emitter kan stromen en van daar naar de aarde (aarde representeert de retourlijn voor al het water of spanning/stroom).

Afbeelding 3: deze grafische voorstelling laat zien hoe een transistor werkt. Wanneer het water door de kleinere buis (basis) stroomt, opent het de klep tussen de collector/emitter-junctie, zodat het water door de emitter naar de aarde kan stromen.

Een transistor voor je toepassing kiezen

Als je simpelweg een circuit of een belasting wilt inschakelen, zijn er bepaalde dingen die je in overweging moet nemen. Bepaal of je je transistor met positieve of negatieve stroom wilt voormagnetiseren of bekrachtigen (d.w.z. NPN of PNP type). Een NPN-transistor wordt aangestuurd (of ingeschakeld) door een positieve stroom die wordt voorgemagnetiseerd bij de basis om de stroom van de collector naar de emitter te regelen. Transistors van het PNP-type worden aangestuurd door een negatieve stroom die bij de basis wordt voorgemagnetiseerd om de stroom van de emitter naar de collector te regelen. (Merk op dat de polariteit voor PNP omgekeerd is ten opzichte van NPN.) Zie Afbeelding 4 hieronder voor meer details.

Afbeelding 4: schematische symbolen voor elk transistortype.

Nadat de voormagnetiseringsspanning bepaald is, is de volgende variabele die we nodig hebben de hoeveelheid spanning en stroom die de belasting nodig heeft om te werken. Dit zullen de minimale spannings- en stroomwaarden van de transistor zijn. De tabellen 1 en 2 hieronder tonen een aantal populaire transistors en de belangrijkste specificaties ervan, waaronder spannings- en stroomlimieten.

Transistors, NPN en PNP, met geleiders en opbouwmontage

Tabel 1. Populaire NPN en PNP transistors met geleiders en opbouwtype.

Transistors, NPN en PNP, metalen behuizingen

Tabel 2. Populaire NPN en PNP transistors met metalen behuizing.

Voorbeelden van transistorschakelingen

Afbeelding 5 hieronder toont een voorbeeld van een schakeling die de collector-emitterjunctie inschakelt door de basis te bekrachtigen of de transistor voor te magnetiseren door hem in te schakelen, door 5 volt naar de basis te geven via een schuifschakelaar. In dit voorbeeld is de belasting die wordt ingeschakeld een ledlampje. Bij het voormagnetiseren van de basis dienen weerstanden te worden gebruikt om te voorkomen dat er teveel stroom wordt getrokken. Ik gebruikte bedrade onderdelen op een bread board om mijn voorbeeldschakeling te testen. De meeste technici zullen opbouwcomponenten gebruiken (veel kleiner van formaat dan een TO-92 pakket) wanneer er transistors worden gebruikt in een nieuw productontwerp dat op de markt wordt gebracht. Hier is een link die verschillende pakketgroottes voor 3904 transistors toont.

Aangezien de 2N3904 een NPN transistor is, vereist de basis positieve voormagnetisering (passende spanningsniveaus en weerstand) om de collector-emitterjunctie in te schakelen om de juiste stroom te verkrijgen. Ook het gebruik van een belastingsweerstand (R1) is belangrijk, zodat er niet teveel stroom door de led en de transistor wordt gestuurd. Voor meer informatie over deze transistor raadpleeg je het gegevensblad van de 2N3904.

Afbeelding 5: 2N3904 voorbeeldschakeling voor het inschakelen van een ledlampje met een EG1218 schuifschakelaar, waarop pennen C (collector), E (emitter) en B (basis) worden getoond (Afbeelding in Scheme-it).

Afbeelding 6 is een voorbeeld van een schakeling voor nachtverlichting met gebruikmaking van een PNP transistor. Om de details van dit circuit te zien, gebruik je de link naar de engineering wiki site van DigiKey en zoek je naar PNP nachtverlichting.

Afbeelding 6: 2N3906 voorbeeldschakeling nachtverlichting voor inschakeling van een led met een PDV-P5003 fotocel (Afbeelding in Scheme-it)

Korte geschiedenis van de uitvinding van de transistor

Hoe is het allemaal begonnen? Dit konijnenhol gaat erg diep; we beginnen bij de uitvinding van de telefoon. Het laatste woord is nog niet gezegd over wie nou precies het eerste werkende elektrische prototype uitvond; maar het is een feit dat het eerste patent werd toegekend aan Alexander Graham Bell, op 7^maart 1876³. Later zou Bell de voormalige American Telephone and Telegraph company (AT&T) oprichten. Rond 1894¹ verstreek het patent van Bell. Weliswaar domineerde AT&T de telefoniemarkt tot aan de eerste jaren van de 19e eeuw, maar er werden ook nieuwe bedrijven opgericht, die klanten van AT&T weglokten. Om deze reden voelde het bedrijf de noodzaak om haar dominante positie te versterken en het marktbereik te vergroten. In 1909 wilde de directeur van AT&T, Theodore Vail¹ beginnen met het aanbieden van transcontinentale telefoongesprekken (van New York naar Californië). Maar daarvoor hadden ze een goede versterker of repeater nodig die de signalen, die zo'n lange afstand moesten afleggen, konden versterken. Eerder, in 1906, had Lee De Forest een idee overgenomen van John A. Fleming (die werk van Thomas Edison overnam door een vacuümbuis-toestel te creëren dat "oscillatieklep" werd genoemd, gebruikt om radiogolven te detecteren), dat hij aanpaste om de Triode te maken - een inefficiënte vacuümbuis met 3 aansluitingen die als versterker kon worden gebruikt. In 1912 werd Forest door Harold Arnold van Western Electric Company (de fabrikant van AT&T) uitgenodigd om zijn uitvinding te komen demonstreren. De Triode van Forest werkte weliswaar op lage spanningen, terwijl Arnold een toestel nodig had dat op hogere spanningen werkte, om doeltreffende repeaters te kunnen bouwen om het geluid van een stem over lange afstanden over te dragen. Maar Arnold geloofde dat hij een betere Triode kon bouwen en daarom huurde hij wetenschappers in om erachter te komen hoe het toestel werkte en hoe het verbeterd kon worden. In oktober 1913 hadden deze pogingen succes. Al snel daarna werden overal telefoonlijnen geïnstalleerd. De investeringen die AT&T deed door het inhuren van topwetenschappers maakten dat ze zich door de jaren heen realiseerden dat het doen van diepgaand onderzoek hen een concurrentievoordeel op zou leveren en daarom richtten ze in 1925 de “Bell Telephone Laboratories” op.

Er waren duizenden vacuümbuizen en relais nodig om de telefoonleidingen aan de praat te houden. Vacuümbuizen verbruikten echter veel vermogen, waren groot en brandden vaak door. Door de ontwikkelingen in de technologie van de kristalgelijkrichter (gebruikt voor radarsystemen) die de 2e wereldoorlog met zich mee bracht ontstond er een steeds beter begrip van deze technologie en zo kreeg Mervin Kelly, directeur van van de onderzoeksafdeling van Bell, op een dag de ingeving dat halfgeleiders (halfgeleidertoestellen) wellicht het antwoord zouden kunnen zijn om een toestel te creëren dat de dure en onbetrouwbare vacuümbuizen kon vervangen. Kelly legde zijn visie over het verbeteren van de componenten voor de overdracht van stemgeluid via kabels voor aan een van hun briljante natuurkundigen, William Shockley. Kelly vertelde dat hij ervan droomde om de lawaaierige, mechanische relais en stroomvretende vacuümbuizen ooit te kunnen vervangen door elektronische halfgeleidertoestellen. Dit concept maakte veel indruk op Shockley en het werd zijn voornaamste doel. Kelly droeg Shockley op om een manier te vinden om dit idee te realiseren.

Hij was een briljante theoreticus, maar niet goed in het construeren van zijn ideeën. Shockley had verschillende pogingen gedaan om te proberen een idee te bewijzen dat hij had ten aanzien van de veldeffect-overdracht van elektronen, om twee zijden van een halfgeleider te verbinden door een plaat boven de halfgeleiders te bekrachtigen. Maar dat was niet gelukt. Gefrustreerd wendde hij zich tot twee andere aan Bell Labs verbonden natuurkundigen, John Bardeen (briljant op het gebied van elektronentheorie in halfgeleiders) en Walter Brattain (die alles afwist van prototypes en het gebruik van laboratoriumapparatuur). Zij werden onderdeel van zijn team. Shockley liet het duo op eigen houtje werken. Door de jaren heen werden vele pogingen ondernomen om het veldeffect te laten werken, maar het lukte nooit. Ze liepen hun berekeningen keer op keer na; in theorie zou het moeten hebben werken. Bardeen en Brattain traden buiten de gebaande paden en experimenteerden met dunne plakjes silicium en germanium in een poging om het veldeffect te laten werken. In de herfst van 1947 was er een teken van vooruitgang, op een moment dat Brattain problemen had met de condensatie van water dat zich afzette op het oppervlak van de halfgeleider. In plaats van het te drogen, plaatste hij een druppel water boven het silicium, zette de plaat erboven onder stroom en bemerkte een versterkingseffect. De waterdruppel hielp de oppervlaktebarrière te overwinnen, hetgeen hielp om de de elektronenstroom op gang te brengen, maar deze was traag en niet in staat om de stemsignalen te versterken op een manier die een succesvolle overdracht van het stemgeluid zou verzekeren.

In december 1947 (bekend als de Miracle Month, de maand van de wonderen) kwamen ze op het idee om de veldeffect-gap te elimineren door het water te verwijderen en een gouden contact te creëren om de halfgeleider aan te raken. Ze stapten over op germanium, een materiaal waar in die tijd gemakkelijker mee gewerkt kon worden, en isoleerden dit met een dunne oxidefilm die zich op natuurlijke wijze op germanium vormt. Er werden vele tests gedaan, zonder enig succes. Maar toen, het was inmiddels half december, waste Walter Brattain per ongeluk de oxide-coating weg, waardoor het goud direct in contact kwam met het germanium! Bingo!!! Hij had ontdekt hoe je een goede versterking kon verkrijgen, en de transistor werkte. In plaats van dat elektronen naar het oppervlak van de halfgeleider worden getrokken, de theorie achter het idee van Shockley over het veldeffect, ontdekten Brattain/Bardeen dat door de halfgeleider in contact te brengen met een gouden contact, ze gaten in de halfgeleider 'injecteerden', waardoor de elektriciteit kon stromen. Ergens rond half december 1947 begonnen ze, zonder dat Shockley er iets van af wist, met het bouwen van een werkend prototype. Brattain bouwde een toestel in de vorm van een plastic driehoek met goudfolie langs de schuine kanten, en maakte een flinterdunne snede in de punt van de driehoek. Het betrof een extreem ruw prototype. Ze gebruikten een paperclip waarvan ze een veer hadden gemaakt om de driehoek in de dunne germanium-halfgeleider te drukken, bovenop een dunne koperen plaat, waar zich twee geleiders bevonden - één aan weerszijden van de driehoek. De koperen plaat onder het plaatje van germanium diende, zo je wilt, als de 3^e geleider (Afbeelding 7). Uiteindelijk gaven ze het toestel de naam Point Contact Transistor, puntcontacttransistor.

Brattain en Bardeen haalden Shockley erbij om hem het goede nieuws te vertellen. Voor zover ik uit mijn onderzoek heb opgemaakt, ontving Shockley dit nieuws met gemengde gevoelens; hij was blij dat het werkte, maar teleurgesteld dat hij niet direct aan de creatie had bijgedragen. De demonstratie aan de bazen van Shockley vond een week na de ontdekking plaats, op 23 ^december 1947 (de openbare bekendmaking volgde op 30 juni 1948). Later werd nog een foto genomen, om aan de historische annalen toe te voegen (Afbeelding 8). Shockley wist dat de fragiele puntcontacttransistor niet gemakkelijk te fabriceren zou zijn en zette alles op alles om hem (zelf) beter te maken. Shockley werkte koortsachtig om het probleem op zijn manier op te lossen ... en documenteerde zijn gedachten en pogingen de transistor meer te integreren door de halfgeleidermaterialen in lagen samen te brengen. Er was nog veel meer onderzoek nodig om de theorie voor het indienen van een octrooi voor de junctie-transistor (ingediend op 25^{ juni} 1948) te voltooien. Op 20^{ april} 1950 werd een werkende n-p-n junctietransistor werd gedemonstreerd (mogelijk gemaakt door het werk van Gordon Teal en Morgan Sparks). De details rond al deze gebeurtenissen gaan veel dieper dan je je kunt voorstellen⁴.

De Nobelprijs voor de uitvinding van het transistor-effect werd op 10 december 1956 uitgereikt aan William Shockley, John Bardeen, en Walter Brattain.

Afbeelding 7: de puntcontacttransistor (gebruikt met toestemming van Nokia Corporation)

Afbeelding 8: John Bardeen, links, William Shockley, midden en Walter Brattain, rechts. (Gebruikt met toestemming van Nokia Corporation)

Verwijzingen

1. Riordan, Michael en 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, Mei, pagina 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. “ALEXANDER GRAHAM BELL”. Teruggevonden 19 dec. 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson en Conyers Herring. 1999. “The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Nog meer informatie is te vinden op: http://www.pbs.org/transistor/