Diode en transistor
Hoe werkt een transistor transistor
Diode
Het ontstaan van de eerste transistoren (en diodes) staat hier uitgelegd.

Om de werking van een transistor te begrijpen moeten we eerst uitleggen hoe een diode werkt.

-

-

Transistoren bestaan uit halfgeleidermateriaal zoals germanium of silicium. De atomen vormen een kristalstruktuur en zuivere germanium of silicium zijn een redelijk goede isolator, maar door onzuiverheden in het kristal kunnen electronen loskomen van hun atoom en zo wordt germanium en silicium gezien als een halfgeleider. Minder dan één atoom onzuiverheid op een miljoen maakt van het kristal een halfgeleider.

Door een spanning aan te leggen komen elekronen los uit het rooster en ontstaat er zo een kleine stroom. Als de temperatuur opgevoerd wordt, komen er meer electronen los, waardoor de stroom toeneemt. Dit effekt is vooral merkbaar bij germanium. In bepaalde schakelingen moet men de stroomtoename bij een hogere temperatuur compenseren om beschadiging van de transistor te vermijden.

Zuivere germanium of silicium worden echter niet gebruikt omdat de natuurlijke geleiding te zwak is.

Voorstelling van een zuiver germaniumkristal, van een met antimoon gedopeerd kristal en van ee met indium gedopeerd kristal

Germanium of silicium kan gedopeerd worden met vijwaardige elementen zoals antimoon (Sb). Deze elementen hebben 5 electronen in hun buitenste schil, en dus één electron te veel om een stabiele rooster te vormen. Dit electron komt gemakkelijk los en verbeterd dus de geleiding van germanium of silicium. Deze halfgeleider is N gedopeerd (omdat de electronen een negatieve lading hebben).

Een halfgeleider kan ook gedopeerd worden met driewaardige elementen zoals boor of indium (In). Deze elementen hebben een electron te weinig op hun buitenste schil om een stabiele roosterstruktuur te vormen. Hier wordt de electrische stroom gerealiseerd door de electronen die van het ene gat naar het andere springen. De halfgeleider wordt als P gedopeerd aangeduid.

Om je een idee te geven, één op een miljoen germaniumatomen is vervangen door een vreemd atoom, en toch is dit voldoende om het kristal geleidend te maken.

1

Diode

Figuur 1:
Plaatst men een N en een P gedopeerd halfgeleider tegen elkaar, dan springen de electronen in overvloed van de N-laag naar de P-laag. Er ontstaat een dunne laag, de zogenaamde uitputtingslaag, waar er geen ongebonden electronen (of gaten) meer zijn, deze laag vormt een isolator en maakt dat de diode niet geleid.

De uitputtingslaag kan niet onbeperkt groeien, want er ontstaat een electrostatische lading die de verdere beweging van electronen tegen gaat. De atomen zelf zitten vast in een roosterstruktuur en kunnen niet migreren. Het zijn de meer beweeglijke electronen die voor de electrostatische lading zorgen.

2
Figuur 2:
De electrostatische lading binnen een junctie

Legt men een spanning aan tussen de twee lagen, dan wordt de uitputtingslaag dikker of dunner naargelang de polariteit (versterking of verzwakking van het electrostatisch veld). Als de spanning voldoende hoog is verdwijnt de uitputtingslaag en gaat de diode geleiden (in één enkele richting).

Zener diode

Een zener diode is vergelijkbaar met een gewone diode, maar de N en P laag is veel sterker gedopeerd. Er zijn dus meer overtollige electronen aan de N kant en meer overtollige gaten aan de P kant. Het gevolg is dat de uitputtingslaag veel dunner is: de potentiaalbarrière wordt sneller opgebouwd.

De diode werkt zoals een gewone diode in doorlaatrichting, maar in omgekeerde richting slaat de depletiezone door vanaf een bepaalde spanning, de zenerspanning. Je moet het doorslaan niet zien als een kortsluiting ("de stoppen slaan door"), maar als een natuurkundig fenomeen (tunneleffekt). Als de stroom beperkt wordt tot een veilige waarde raakt de diode niet beschadigd. Een zenerdiode wordt gebruikt als spanningsstabilisator voor lage vermogens of als referentie-element.

De ervaring leert dat een zener diode defekt kan gaan, zelfs als die correct gebruikt wordt. De fout doet zich voor na jaren normaal gebruik en wordt gekenmerkt door een volledige kortsluiting.

Varicap diode

De uitputtingslaag gedraagt zich als een isolator, maar met als voordeel dat men de laag dikker of dunner kan maken, en dus de capaciteit van de diode kan wijzigen. Hoe hoger de aangelegde (inverse) spanning, hoe dikker de uitputtingslaag en hoe lager de capaciteit.

Alle diodes vertonen dit effekt, maar er worden speciale diodes gebouwd die een goed gedefinieerde uitputtingszone hebben (en dus ook een welbepaalde capaciteit bij een bepaalde spanning). Ze worden gebruikt in hoogfrekwente afgestemde kringen om de frekwentie te wijzigen, bijvoorbeeld in televisie en FM tuners. Ze worden ook gebruikt om de frekwentiedrift van afgestemde kringen tegen te gaan (verlopen van de frekwentie), dit is de AFC die bijvoorbeeld in FM tuners gebruikt wordt (automatic frequecy control).

Er zijn twee voorbeelden van gebruik van een varicapdiode voor de automatische fijnafstemming op de pagina transistorradios.

Schottky diode

Bij schottky diodes heeft men niet te maken met een PN-overgang, maar een overgang van een halfgeleider (meestal P gedopeerd) naar een metaal. Een metaal heeft electronen die gemakkelijk vrijkomen op de buitenste schil, terwijl P halfgeleider een overmaat aan gaten heeft.

Een kenmerk van dergelijke diodes is dat ze veel sneller kunnen schakelen. De spanning die overwonnen moet worden om de uitputtingslaag te vernietigen en om de diode in geleiding te brengen is veel lager (bij een normale silicium diode is dat 0.6V, bij een schottky diode bijvoorbeeld 0.15V). Door gebruik te maken van andere metaallegeringen kan met diodes maken met andere voorwaartse spanningen.

Dergelijke diodes worden gebruikt voor het detecteren van hoogfrekwente signalen (radar met frekwenties van meerdere GHz), maar ook als gelijkrichter in schakelende voeding, waarbij er met hogere schakelfrekwenties gewerkt kan worden. De verliezen kunnen dus lager zijn dankzij de lagere voorwaartse spanning en hogere schakelfrekwentie.

Toen de duitsers de eerste puntcontact diodes bouwden tijdens de tweede wereldoorlog (om het signaal van de geallieerde radars te kunnen detecteren) hadden ze zonder het te weten schottky diodes gebouwd.

Afbeelding rechts: een schottky diode gebruikt in schakelende voedingen (+5V ou +3.3V).

Schottky diodes kunnen niet even zwaar belast worden als gewone diodes, de diodes hebben een hogere lekstroom in gesperde richting (de lekstroom hangt af van het type diode: diodes met een zeer lage voorwaartse spanning hebben een hogere lekstroom in gesperde richting).

Bij een klassieke diode is de lekstroom nagenoeg nul en de verliezen ontstaan door de spanningsval in voorwaartse richting (0.6V of meer). Bij een schottky diode die gebruikt wordt in voedingen ontstaan de verliezen door de lekstroom als de diode tegengesteld gepolariseerd is. Deze verliezen lopen op met de temperatuur, waardoor men een ruime veiligheidsmarge moet inbouwen.

De schottky diodes worden gebruikt in schakelende voedingen (hoogfrekwent) maar ze kunnen evengoed gebruikt worden in lineaire voedingen die lage spanningen moeten leveren (gelijkrichtdiodes in batterijladers).

En we gaan verder met de werking van de transistor.

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

-