Diode en transistor
Geschiedenis van de transistor
Transistor
De eerste transistoren werden na de tweede wereldoorlog gemaakt, maar reeds voor en tijdens de tweede wereldoorlog experimenteerde men met verschillende schakelingen (dioden).

1

1a

2

3a

3b

3c

4

5

V˛˛r de komst van de transistor

Voor de tweede wereldoorlog was men op de hoogte van de eigenschappen van bepaalde kristallen. Galeniet (loodsulfide) werd in de eerste radio-ontvangers gebruikt. Deze eenvoudige toestellen bestonden uit een afgestemde kring om de zender te selecteren, een diode om het signaal te detecteren en een gevoelige koptelefoon. Een sterke zender had een bereik van honderden kilometers als de omstandigheden goed waren. Men gebruikte toen vooral de "lange golven".

De detector was een galenietkristal waarop een fijngeslepen metalen punt rustte. Op het contactvlak ontstond er een diodewerking.

Tijdens de oorlog werden diodes gebruikt om de radarsignalen te detecteren. Het kristal werd dan in een glazen behuizing gemonteerd (zoals een radiobuis) en er werd kortstondig een hoge stroom door de diode gestuurd om het metalen punt aan het kristal te lassen.

De geallieerden konden over de magnetron beschikken om te zenden, maar geen enkele radiobuis kon deze extreem hoge frekwenties detecteren. Enkel een puntcontact diode kon dat doen.

De duitsers konden niet beschikken over de magnetron en moesten normale radiobuizen gebruiken. Ze waren dus beperkt in de maximale frekwentie dat ze konden gebruiken. De duitse radars waren noodzakelijkerwijze veel groter en onhandiger. Om het signaal van de radar te detecteren (duits of geallieerd) werd er gebruik gemaakt van een puntcontact diode. De duitsers gebruikten specifieke detectoren aan boord van hun schepen en onderzeeboten: de Metox en de Naxos. Deze detectoren gaven aan dat er geallieerde vliegtuigen in de buurt waren. Vijandige vliegtuigen konden op meer dan 10km afstand gedetecteerd worden.


Foto 1
Puntcontactdiode gebruikt als detectediode in verschillende toepassingen: radio, televisie,... Germanium laat toe hogere frekwenties te detecteren (het vermogen dat gedetecteerd moet worden is heel miniem).

Voorbeelden van diodes zijn: OA81, OA85, AA119. Men gebruikte dezelfde buizenkodes, maar met een gloeispanningsletter "O". Later zal men de Pro Electron codering gebruiken met de letter A voor germanium en B voor silicium.


Andere scheikundige samenstellingen hadden ook een gelijkrichtend effeft zoals koperoxide en later seleen, maar deze gelijkrichters konden enkel voor laagfrekwente toepassingen gebruikt worden. De seleengelijkrichters werden gebruikt voor de gelijkrichting van laagspanning wisselspanning (bijvoorbeeld voor het laden van batterijen).

De puntcontactdiode (galeniet) werd veel gebruikt in Frankrijk en BelgiŰ tijdens de tweede wereldoorlog want er is geen stroombron nodig. Omdat er geen locale oscillatorkringen zijn kan de eenvoudige radio niet gedetecteerd worden door de duitsers.

Het symbool van de diode (en later ook de transistor) is gebaseerd op het punt dat op een kristal rust.

De eerste transistoren

Na de oorlog merken de amerikanen dat bepaalde montages met dubbele diodes het signaal kunnen versterken. De natuurkundige fenomenen die aan de basis liggen van het transistoreffekt zijn complex en de eerste transistoren waren absoluut niet betrouwbaar, men probeerde maar wat. Soms had men versterking, soms niet. Een transistor is niet enkel de combinatie van twee diodes.

De duitse ingenieurs die detectiediodes ontworpen hadden tijdens de tweede wereldoorlog deden ook onderzoek. Ze werkten nu in Frankrijk en ontdekten bijna simultaan met de amerikanen het transistoreffekt. Het component noemde ze een transistron, deze naam zal echter niet verder gebruikt worden.

In tegenstelling met puntcontactdiodes waren puntcontacttransistoren onbetrouwbaar. De caracteristieken lagen niet vast en waren afhankelijk van de nauwkeurige plaatsing van de punten. De versterking van puntcontacttransistoren was beperkt: dergelijke transistoren konden niet ingezet worden in consumertoestellen. Deze transistoren worden opgevolgd door de junctietransistor (of lagentransistor).

De junctie transistor

Figuur 1a
De lagentransistor bestaat uit een dun plaatje N materiaal (germanium vijfwaardig gedopeerd), groen op de figuur. Aan beide zijden wordt een tablet driewaardig materiaal aangebracht, meestal is dat indium dat een goede geleider is en een laag smeltpunt heeft (155░c). Het plaatje wordt verwarmd tot boven het smeltpunt van indium. Het indium lost het germanium op, waardoor er P materiaal ontstaat, rood op de figuur. Er blijft ook nog een deel indium over waarop de aansluiting gesoldeerd wordt.

Het is belangrijk dat er nog een dun laagje N germanium overblijft. Is die laag doorbroken, dan loopt de stroom gewoon door van emitter naar collector, is de laag te dik, dan heeft men geen transistorwerking, maar gewoon twee diodes.

Vanwege het lage smeltpunt van indium kunnen dergelijke transistoren slechts een beperkt vermogen dissiperen, voor consumertransistoren is dat ongeveer 100mW voor een transistor in een plastieken behuizing (foto's zie lager).


Foto 2
Uitsnede van een transistor IBM 083. Deze transistor werd gebruikt als signaalversterker, bijvoorbeeld om het sense-signaal van kerngeheugen te versterken.
  1. Metalen plaat
  2. Germaniumkristal "p" gedopeerd met indium
  3. Germaniumdruppel "n" gedopeerd met antimoon. De draad bestaat uit tin
Aan de andere kant hebben we de emitter. De draden zijn gebogen om dilatatie mogelijk te maken.

De complementaire transistor (PNP) was de IBM 033


IBM heeft transistoren nodig voor zijn computers

Het was vanzelfsprekend dat IBM zich zou bezig houden met de fabricage van transistoren. De computers en kantoormachines van toen gebruikten duizenden buizen, en het zou interessant zijn deze te vervangen door transistoren die een lager verbruik hadden. Maar IBM wou ook de controle houden over de kwaliteit en de specificaties van de transistoren, want in een computer met duizenden transistoren moet de betrouwbaarheid zeer hoog zijn.

IBM had de middelen om eigen fabrieken te bouwen. Nadien werden de fabrieken verkocht aan ondernemingen die gespecialiseerd waren in de fabricage van componenten (bijvoorbeeld Texas Instruments, je ziet het logo op bepaalde transistoren met IBM specificaties). Deze fabrieken bleven transistoren bouwen volgens de specificaties van IBM.

De junktietransistor zal snel de puntcontacttransistor verdringen en zal in alle toepassingen gebruikt worden tot er een beter procÚdÚ toegepast kan worden om transistoren te bouwen (mesa en dan planar techniek)


Fotos 3
  • Een kaart uit het SMS assortiment
  • Voorversterkerschakeling
  • Moderne voorstelling


IBM gebruikte gestandardiseerde modules in kaartvorm met basifunkties. Oorspronkelijk was het voorzien dat er zo'n 250 verschillende modules zouden nodig zijn, maar omdat alle mogelijke funkties met dergelijke modules werden gebouwd steeg het aantal modules tot meer dan het tienvoud van wat voorzien was. Ook thermische veiligheden, stroombeperkingen, belastingsweerstanden, voedingsmodules,enz. werden met dergelijke SMS modules gebouwd (Standardised Module System).

Als het systeem in voege treed worden de transistoren (en verschillende andere componenten) door verschillende fabrikanten gemaakt, waardoor de onderdelen op de kaart echt niet bij elkaar horen, met weerstanden die blijkbaar afkomstig zijn van 6 verschillende fabrikanten. Zoiets treft men niet aan in Europese toestellen.

Deze voorversterkertrap die in verschillende computers gebruikt wordt bestaat uit twee complementaire transistoren. Let op de toen gangbare vreemde aanduiding van de transistoren, die de vorm van de transistor nabootste (lagentransistor).

Deze specifieke voorversterker werd gebruikt om het koppensignaal van een magneetband geheugen te versterken. De basis van de eerste transistor zit op massapotentiaal via de kop die een lage ohmse waarde heeft. Op de uitgang heeft men een puls van ongeveer 1V die naar een schmitt trigger gestuurd wordt.

De trap heeft een verterking van ongeveer 750× en de versterking is instelbaar. De stroom is ingesteld op 1mA per transistor, bij deze waarde presteert de transistor het best (hoogste hfe en grensfrekwentie). Het verbruik bedraagt ongeveer 50mW, wat heelwat minder is dan een versterkertrap die met buizen uitgerust is. Bij een radiobuis is er al een vermogen nodig van meer dan 1W voor de gloeidraad.

De transistoren hadden een laag frekwentiebereik. Door de transistoren buiten het saturatiegebied te houden, een relatief hoge stroom te gebruiken en door lokale tegenkoppeling te gebruiken (per transistor) kon men de transistoren voldoende snel maken.

In Europa daartegenover...

De amerikanen schakelen snel over op transistoren, maar in Europa blijft men de radiobuizen langer trouw. Zelfs de draagbare radio's waren nog uitgerust met buizen. Er worden ook hybride radios gebouwd, het hoogfrekwent gedeelte bestaande uit buizen en het laagfrekwent gedeelte uit transistoren. De geschiedenis van de radio staat hier uitgelegd. Ook televisies gebruiken transistoren, maar ook buizen voor het hoogfrekwent gedeelte en vooral voor het vermogen gedeelte. De eerste kleurentelevisies eind jaren 1960 waren nog uitgerust met buizen.

De junctietransistor zal intensief gebruikt worden in de jaren 1960 en 1970. In vergelijking met buizen zijn de eigenschappen maar matig: transistoren werken enkel op een lage spanning (dit kan zowel een voordeel als een nadeel zijn) en halen geen hoge frekwenties. De basis is te groot, waardoor er parasitaire capaciteiten zijn. De warmteafvoer is niet optimaal. Op de volgende foto's ziet men goed dat de warmteafvoer via het plastiek moet gebeuren. Een eerste stap om een hogere dissipatie te bekomen is een metalen behuizing gebruiken: indien nodig kan de transistor op een koelplaat gemonteerd worden.


Foto 4 en 5
Transistor OC71 in een plastieken behuizing, oorspronkelijk bedekt met een verflaag. Deze transistor werd gebruikt in een flistdetector

Macrofoto met Canon 5D MkIII, lens EF-S 18-55 ƒ/3.5-5.6 en tussenring EF 25 II


De OC71 heeft de volgende eigenschappen: maximale vermogensdissipatie: 0.125W, maximale spanning: 20V, maximale collectorstroom: 10mA, versterking: 30×. Deze transistor werd gebruikt als laagvermogen audio versterker. Er bestond vroeger een OCP71 (zonder verflaag) die specifiek gebruikt werd voor zijn foto-electrische eigenschappen.

De OC74 was geschikt om een luidspreker aan te sturen (het beschikbaar vermogen is echter lager dan bij een eindtrap met een buis). De transistor zit in een metalen koker die tegen een koelplaat gemonteerd kan worden.

De planar transistor zal de junktietransistor vervangen. De collector heeft een grotere oppervlakte, waardoor de warmtedissipatie beter kan gebeuren. De base is veel kleiner en heeft zo een kleinere parasitaire capaciteit. Daar waar men bij de lagentransistor met een stukje "base" begint, begint men bij een planar transistor met de collector, waarop de base en de emitter gemaakt worden door diffusie. Deze transistoren kunnen op hogere frekwenties werken en hogere vermogens leveren.

10 jaar na de fabricage van de eerste germaniumtransistoren schakelt men over op silicium. De fabricage is moeilijker vanwege de hogere temperaturen, maar dit betekent ook dat de transistor hogere vermogens kan schakelen.

De werking van een transistor wordt hier uitgelegd.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's