Diode en transistor
Hoe werkt een transistor transistor
Transistor
Servers » TechTalk » Werking transistor
Het ontstaan van de eerste transistoren (en diodes) staat hier uitgelegd.

De bedoeling van deze pagina is om je in enkele woorden uit te leggen hoe diodes en transistoren werken, zonder ingewikkelde formules, enz.

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.

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

3

4

5


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.

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).

De werking van een transistor

Fig. 3:
Een transistor heeft drie lagen, NPN of PNP die emitter, base en collector genoemd worden. In het geval van een NPN transistor kan de electronenstroom lopen van emitter naar basis en van collector naar basis. De transistor gedraagt zich hier als twee diodes.

Fig. 4:
De transistor is gemaakt om een stroom te controleren tussen emitter en collector, maar in normale conditie kan de stroom niet lopen, want die wordt tegengehouden door de tweede uitputtingslaag, de laag tussen basis en collector.

Fig. 5:
Maar de stroom kan wel tussen emittor en base lopen (voorwaarts gepolariseerde diode). De base is echter zo dun, dat de meeste electronen verder gaan tot aan de collector en niet opgevangen worden door de base. Slechts één procent ongeveer van de electronen wordt door de base opgenomen, de rest wordt door de grote collector aangetrokken.

Een zwakke stroom tusse emitter en base veroorzaakt dus een sterkere stroom tussen emitter en collector (ongeveer 100× sterker). De collectorstroom is proportioneel aan de basisstroom. De collectorspanning speelt geen grote rol. Vermogenstransistoren die doorgaans een dikkere base hebben, hebben een lagere versterking.

De werking van een NPN of PNP transistor is in de praktijk identiek, maar de polariteit is omgekeerd:

  • NPN
    Minpool voeding op de emitter
    Stuurstroom op basis positief ten opzichte van emitter
    Belasting wordt tussen collector en pluspool van de voeding aangesloten

  • PNP
    Pluspool voeding op de emitter
    Stuurstroom op basis negatief ten opzichte van de emitter
    Belasting wordt tussen collector en minpool van de voeding aangesloten

De versterkerklassen van transistoren worden op deze pagina besproken.

Men kan geen transistorwerking bekomen door twee losse diodes te gebruiken: het is juist de dunne basis die ervoor zorgt dat een transistor versterkt.

Thyristor


Een thyristor heeft een extra laag. Zou men hier ook de thyristor opbouwen uit losse diodes dan zou die thyristor niet werken. Het is juist omdat die extra laag zo dun is dat er interactie is tussen de lagen.

In de praktijk gedraagt de thyristor zich als een dubbele transistor. De aansluitingen heten cathode (komt overeen met de emitter), gate (base) en anode (collector). Hier ook controleert de thyristor een stroom tusse cathode en anode, terwijl de sturing aangelegd wordt tussen cathode en gate.

We leggen een positieve spanning aan op de gate, waardoor de eerste transistor (de onderste, NPN type) in geleiding kan gaan. Daardoor gaat echter ook de bovenste in geleiding (PNP), want de collectorstroom van de onderste transistor gaat door de base van de bovenste transistor. Doordat de bovenste transistor in geleiding gaat wordt de onderste transistor verder in geleiding getrokken. We kunnen nu de positieve spanning wegnemen, de thyristor blijft in geleiding.

De thyristor kan enkel uit geleiding gebracht worden door de anodestroom te reduceren tot onder een minimale waarde. Dit kan men doen door de thyristor in geleiding te kortsluiten door een extra transistor (of thyristor) die in geleiding gebracht wordt. Indien de thyristor gebruikt wordt met wisselspanning, dan kan de thyristor enkel geleiden tijdens de positieve fasen (anode positef), en gaat die automatisch uit geleiding als de voedingsspanning negatief wordt.

De thyristor wordt SCR of (minder vaak) SCS genoemd (Silicon Controlled Rectifier en Silicon Controlled Switch). De klassieke thyristor is een SCR. Bij een SCS is het mogelijk de thyristor uit geleiding te brengen door een negatieve puls op de gate, bij een SCR lukt dit niet.

Een thyristor kan opgebouwd worden uit twee losse transistoren, maar men moet weerstanden voorzien om de basisstroom binnen de grenzen te houden. In ons voorbeeld loopt al de anodestroom door de basis van de bovenste transistor, en als de thyristor uit losse transistoren opgebouwd is, is die transistor meestal niet berekend op een zo hoge basisstroom. De uit losse transistoren opgebouwde thyristor heeft de eigenschappen van een SCS.

Veldeffekt transistor J-FET en MOSFET

Een veldeffekt transistor kan hier ook bestaan uit een "N" of een "P" type. We beperken onze bespreking tot de N-type. Een N-Junktie FET bestaat uit een blokje N gedopeerd silicium. Zoals u weet is zo'n blokje relatief goed geleidend dankzij de overtollige electronen.

Rond de N staaf leggen we een P ring. Deze ring wordt voorlopig niet aangesloten. Op het eerste zicht zou je denken dat er niets zal gebeuren met de geleiding, maar dit is niet waar. Door de P-laag ontstaat er een uitputtingslaag die geen vrije ladingdragers meer bevat, zoals bij een diode. De uitputtingslaag wordt in het geel aangeduid op de figuur.

Het resultaat is dat het gebied waar electronen vrij kunnen bewegen kleiner geworden is. De weerstand tussen source (-) en drain (+) is groter geworden. Tot nu toe wordt er nog geen spanning aan de gate aangelegd.

Als we een negatieve spanning aan de gate aanleggen, dan gedraagt de J-FET zich als een diode die omgekeerd gepolariseerd is: de negatieve gatespanning versterkt de depletielaag, die nog dikker wordt. Het gebied waardoor electronen kunnen bewegen wordt nog kleiner en de weerstand tussen source en drain wordt nog groter. Er loopt natuurlijk geen stroom door de gate, vanwege de verkeerde polariteit.

Vanaf een bepaalde gatespanning is de depletiezone zo groot geworden, dat er geen vrije electronen meer kunnen circuleren. men zegt dat de J-FET afgeknepen is.

We kunnen ook de gate positief polariseren, en dan bereikt men het omgekeerd effekt: de depletiezone wordt kleiner en de electronen kunnen gemakkelijker bewegen. De weerstand neemt af.

Maar als de spanning boven de 0.6V komt, dan ontstaat er een stroom tussen source en gate. Die stroom snoept als het ware de beschikbare electronen af van de sourcestroom, waardoor de uiteindelijke drainstroom lager wordt. Dit is een gebied dat normaal niet gebruikt wordt.

De tweede grafiek toont de drainstroom in funktie van de gatespanning (drainspanning vast op +5V).

Er zijn twee grote verschillen met normale transistoren:

  • De J-FET wordt door middel van een spanning gestuurd, een transistor door middel van een stroom.
    Als de J-FET in zijn normaal werkingsgebied gebruikt wordt, is er geen stroom nodig om hem aan te sturen

  • De J-FET gedraagt zich als een regelbare weerstand, de transistor als een regelbare stroombron.
    De drainstroom van een J-FET is afhankelijk van de drainspanning, bij een transistor is de collectorstroom nauwelijks afhankelijk van de collectorspanning
De J-FET heeft een zwaar probleem: die heeft namelijk een negatieve spanning nodig om gestuurd te worden. Dit zou betekenen dat een radio die met J-FETs uitgerust is een extra batterij nodig zou hebben om de negatieve voorspanning te voorzien. Terloops gezegd, dit is ook het geval met radiobuizen die door een negatieve roosterspanning gestuurd worden, maar hier hebben de ingenieurs verschillende oplossingen voor gevonden.

Wat je hier uit moet onthouden is dat de J-FET wel bestaat, maar weinig gebruikt wordt. Wat we willen, dat is een component met de voordelen van de J-FET, maar die met een positieve spanning gestuurd kan worden. En heus, zo'n component bestaat, het is de MOSFET.

Tussen de P- en de N-laag wordt er een extreem dunne isolator geplaatst (een niet geleidende metaaloxide). De laag is zo dun dan het effekt van de uitputtingslaag nog altijd geldt. Nog een bijkomend effekt is dat de uitputtingslaag in rust zo ver gegroeid is, dat er geen stroom tussen kathode en anode kan lopen. In rust is een N-MOSFET dus afgeknepen (zo'n mosfet wordt "verrijkingstype" genoemd). Een mosfet die zich gedraagt als normale j-fet wordt "verarmingstype" genoemd, deze worden nauwelijks gebruikt omdat ze een extra negatieve voedingsspanning nodig hebben.

Legt men een positieve spanning aan op de gate, dan wordt de uitputtingslaag dunner, waardoor er bij een bepaalde spanning wel een stroom kan lopen (in ons voorbeeld vanaf 2V). Vanaf een bepaalde spanning stijgt de stroom niet meer: de depletiezone is volledig verdwenen.

De meeste N-MOSFETs zijn zodanig ontworpen dat ze met de standaard computerspanningen kunnen schakelen (TTL logica, dus 0V en 5V). Met een spanningssprong van 0V naar 5V kan een computer-IC dus een zware belasting sturen (de mosfet heeft immers een stroomloze spanning nodig om te schakelen).

Wat de drainstroom betreft gedraagt een mosfet zich meer als een klassieke transistor dan als een j-fet. De drainstroom stijgt minder met de aangelegde spanning dan bij een j-fet (maar toch meer dan bij een klassieke transistor).

Een minpunt van de mosfet is dat de isolatielaag heel gemakkelijk beschadigd kan worden door een te hoge spanning (zowel positief als negatief, richtwaarde = 30V), maar ook door een electrostatische ontlading. Een mosfet moet daarom bewaard worden met kortgesloten aansluitingen (of in ESD-veilige zakjes). Als de isolatielaag doorbroken is gaat de mosfet zich gedragen als j-fet, en dat is zeker niet de bedoeling, want dan loopt er een drainstroom zonder dat er een gatespanning aangelegd wordt! Het gevolg is meestal dat de mosfet snel sneuvelt (samen met een paar andere componenten).

Omgekeerd aansluiten

Aangezien de transistor gemaakt wordt uit NPN (of PNP) lagen die overeenkomen met de emitter, de base en de collector, zou die ook omgekeerd werken (dus met de emitter in de plaats van de collector)?

In principe zal de transistor inderdaad werken, maar niet optimaal. Omdat de grootste spanningsval bij de junktie tussen base en collector gebeurt is die laag ook groter uitgevoerd. De transistor zal werken, maar de stroomversterking zal lager zijn, de maximale spanning zal beperkt moeten worden en vooral: de transistor zal een veel lager vermogen kunnen ontwikkelen.

Het voorbeeld rechts toont een dwarsdoorsnede door een vermogenstransistor. Het is een doorsnede door een ronde transistor: de emitter "drijft" op de base, die op zijn beurt op de collector drijft. Met deze constructie kan de warmte goed afgevoerd worden, maar door de grote junctie is de capaciteit tusse base en collector zeer hoog. Transistoren met een dergelijke constructie kunnen enkel gebruikt worden in laagfrekwent toepassingen. De junctie tussen base en collector (daar waar de spanningsval het hoogst is (en dus ook de warmteontwikkeling)) is rood gestippeld aangeduid.

Ook veldeffekt-transistoren kunnen in beide richtingen werken. Hier ook is er een voorkeursrichting (vooral voor vermogenstransistoren). De voorkeursrichting is minder uitgesproken voor kleine vermogens en de transistor gedraagt zich als een echte regelbare weerstand.

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