Brontekst bekijken van Transistor

[[Bestand:Transistorer (croped).jpg|thumb|Voorbeelden van transistors]]
Een '''transistor''' (samentrekking v. [[Engels|Eng.]] ''transfer'' en ''resistor'', = lett.: overdrachtsweerstand) is een halfgeleidercomponent met meestal drie aansluitingen. Als [[elektronica|elektronisch onderdeel]] dient een transistor onder meer als [[versterker (elektronica)|versterkend]] of schakelend element in een elektronische schakeling. Transistors kunnen afmetingen hebben van enkele nanometers tot meerdere centimeters.

Een transistor als los onderdeel bestaat uit een kristal van een [[halfgeleider (elektronica)|halfgeleider]] in een afgesloten omhulling van metaal of kunststof.
[[Bestand:BJT symbol NPN.svg|thumb|100px|left|Symbool]]
Er zijn in het algemeen drie aansluitingen ([[elektrode]]n): de emitter E, de collector C en de basis B. In de gemeenschappelijke emitterschakeling wordt aan een daarvan (de basis) het te versterken signaal toegevoerd. Aan de tweede (de collector) kan het versterkte signaal worden onttrokken. De derde aansluiting (de emitter) is voor beide signalen gemeenschappelijk.

Een transistor dient vooral om elektronische signalen te versterken of te [[schakeling|schakelen]]. De transistor is de fundamentele bouwsteen van [[computer]]s en vele andere elektronische schakelingen. Soms worden transistors gebruikt als afzonderlijke componenten, maar hoofdzakelijk komen ze voor als fundamentele bouwsteen van [[geïntegreerde schakeling]]en.
{{Clearleft}}

== Geschiedenis ==
{{Zie hoofdartikel|Geschiedenis van de transistor}}
[[Bestand:Replica-of-first-transistor.jpg|thumb|Een replica van de eerste werkende transistor van Bell Labs]]
De natuurkundige [[Julius Edgar Lilienfeld]] had in 1923 de eerste werkende transistor gebouwd en in 1925 een patent voor de eerste transistor in Canada aangevraagd in een apparaat dat volgens de beschrijving overeenkomt met een [[Veldeffecttransistor|FET]] (veldeffecttransistor).<ref>Lilienfeld, Julius Edgar, "''Method and apparatus for controlling electric current''" {{US patent|1745175}} 1930-01-28 (''filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08'').</ref> Hij heeft echter geen onderzoeksartikelen geschreven over deze transistor. In 1934 heeft de Duitse uitvinder Oskar Heil een patent gekregen voor een vergelijkbaar apparaat.<ref>[http://v3.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=GB&NR=439457&KC=&FT=E Heil, Oskar, "''Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices''"], Patent No. GB439457, ''European Patent Office, filed in Great Britain 1934-03-02, published 1935-12-06 (originally filed in Germany 1934-03-02)''.</ref>

[[Bestand:Bardeen Shockley Brattain 1948.JPG|thumb|John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain in Bell Labs, 1948.]]
Volgens de wetenschapshistoricus [[Robert Arns]] heeft [[Bell Labs]] juridische documentatie waaruit blijkt dat William Shockley en [[Gerald Pearson]] werkende apparaten hebben kunnen bouwen die gebaseerd waren op Lilienfelds patenten zonder eraan te refereren in wetenschappelijke publicaties.<ref>{{Citeer journal|author=Arns, Robert G.|year=1998|month=October|title=''The other transistor: early history of the metal-oxide-semiconducor field-effect transistor''| url=http://ieeexplore.ieee.org/document/730824/ |journal=Engineering Science and Education Journal| volume=7|issue=5|pages=233–240|issn = 0963-7346 | doi=10.1049/esej:19980509}}</ref>

In 1947 ontdekten [[John Bardeen]] en [[Walter Brattain]] in Bell Labs van [[AT&T]] in de Verenigde Staten dat wanneer elektrische contacten aan een [[germanium]]kristal werden bevestigd, de [[elektrische stroom]] aan de uitgang groter werd afhankelijk van een kleine ingangsstroom. De leider van de groep Vastestoffysica [[William Shockley]] onderkende het belang van deze ontdekking en binnen de volgende maanden werd zeer veel werk verzet om de kennis over halfgeleiders uit te breiden en daarom wordt hij aangezien als de "vader van de transistor". De term "transistor" werd bedacht door [[John R. Pierce]].<ref>{{Citeer boek|author=David Bodanis|title=Electric Universe|url=https://archive.org/details/isbn_9780739456705|publisher=Crown Publishers, New York|year=2005|isbn=0-7394-5670-9}}</ref>

De eerste op [[silicium]] gebaseerde transistor werd geproduceerd door [[Texas Instruments]] in 1954.<ref>J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", ''Silicon: evolution and future of a technology'' (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.1, Springer, 2004 {{ISBN|3-540-40546-1}}.</ref> Dit was het werk van Gordon Teal, een expert in het produceren van zeer zuivere kristallen, die daarvoor bij [[Bell Labs]] werkzaam was.<ref>Grant McFarland, ''Microprocessor design: a practical guide from design planning to manufacturing'', p.10, McGraw-Hill Professional, 2006 {{ISBN|0-07-145951-0}}.</ref>

De eerste [[MOSFET|MOS]]-transistor (Metal-Oxide-Semiconductor) werd gebouwd door Kahng en Atalla bij Bell Labs.<ref>W. Heywang, K. H. Zaininger, "Silicon: The Semiconductor Material", ''Silicon: evolution and future of a technology'' (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.36, Springer, 2004 {{ISBN|3-540-40546-1}}.</ref>

In 1956 kregen Bardeen, Brattain en Shockley de [[Nobelprijs voor Natuurkunde]] voor hun onderzoek naar halfgeleiders en de ontdekking van het transistoreffect.<ref>[http://www.pbs.org/transistor/background1/events/miraclemo.html Historisch artikel van het ''American Institute of Physics'']</ref>

== Naamgeving ==
De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woorden ''transfer'', of ''transconductance'' (overdracht) en ''[[Spanningsafhankelijke weerstand|varistor]]'' (variabele weerstand, ''variable resistor''),<ref>Zie [https://web.archive.org/web/20080309102314/http://users.arczip.com/rmcgarra2/namememo.gif deze afbeelding] van het memorandum van 28 mei 1948.</ref> bedacht door John R. Pierce, een collega van Bardeen, die [[sciencefiction]]boeken schreef (Bardeen ca. 1965, priv. comm.). Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term ''transresistance'', de pendant van ''transconductance'' van [[elektronenbuis|elektronenbuizen]] en in lijn met termen als varistor, resistor en [[thermistor]].

In het [[jargon]] van elektronici spreekt men van 'tor' en 'torren'.

== Uitvoeringen ==
{{Dubbele afbeelding
| 1=right
| 2=BJT symbol NPN.svg
| 3=100
| 4=BJT symbol PNP.svg
| 5=100
| 6=Bipolaire NPN-transistor
| 7=Bipolaire PNP-transistor
| 8=Bipolaire NPN-transistor
| 9=Bipolaire PNP-transistor
}}
Er zijn twee basistypen transistors: de oorspronkelijke [[bipolaire transistor]] en de [[veldeffecttransistor]] (FET). De eerste wordt gestuurd door middel van een stroompje en de tweede door middel van een [[Elektrische spanning|spanning]]. Elk type heeft weer twee constructies, afhankelijk van waar men van uitgaat, het n- of het p-gedoteerd materiaal. Voor het bipolaire type zijn er PNP- en NPN-transistors, van de FETs zijn er n- respectievelijk p-kanaaluitvoeringen. De stromen en spanningen zijn tegengesteld aan elkaar. Daarnaast is er ook de zogenaamde [[unijunctiontransistor]], bestaande uit een kanaal van n- of p-gedoteerd materiaal, waarop een [[pn-overgang]] is aangebracht.

Transistors hebben drie aansluitingen met elk een eigen functie en een eigen naam.

Voor een bipolaire transistor zijn dat:
#basis (B),
#emitter (E) en
#collector (C).

Voor een veldeffecttransistor zijn dat:
#gate (G),
#source (S) en
#drain (D).

== Werking ==
[[Bestand:KT626.JPG|thumb|Russische transistors]]

==== Bipolaire transistor ====
{{Zie hoofdartikel|Bipolaire transistor}}

Een transistor op zich kan geen stromen of spanningen opwekken. Wel kan een transistor stromen versterken. De werking kan het gemakkelijkst verklaard worden door de transistor op te nemen in een eenvoudig circuit, zie de illustratie.
[[Bestand:Common-emitter.png|miniatuur|Gemeenschappelijke emitterschakeling]]
Tussen de basis en de emitter van een transistor bevindt zich een overgangslaag waarvan de doorlaatbaarheid voor elektrische stroom beïnvloed kan worden door het variëren van een potentiaalverschil tussen basis en emitter. Bij toenemende spanning <math>U_b</math> gaat een (relatief kleine) stroom <math>I_b</math> van de basis naar de emitter van de transistor lopen. Daardoor worden ladingsdragers in de [[uitputtingszone]] gebracht, zodat bij een voldoende spanning (<math>U</math>) tussen collector en emitter er een stroom door dat deel van de transistor van de collector naar de emitter gaat lopen. Die stroom (collectorstroom) is afhankelijk van de basisstroom en is een veelvoud daarvan. Op deze wijze is de transistor op te vatten als een stroomversterker (stroomregelaar). De stroomversterkingsfactor wordt vaak aangegeven met het symbool <math>\beta</math> ( <math>= I_c/I_b</math>) of <math>H_{fe}</math> en kan, afhankelijk van het type transistor, tussen 20 en 800 bedragen.

Er is echter een maximum aan de grootte van <math>I_b</math> en <math>I_c</math>, als dat bereikt wordt, is de transistor 'in verzadiging'. De spanningsval is gering (typisch 0,4 V), dus ook de warmteontwikkeling in de transistor. Indien ervoor wordt gezorgd dat <math>I_b</math> varieert buiten maximum en minimum stroom, kent de transistor twee toestanden zoals een schakelaar: die van geleiding en van niet-geleiding. Op die manier kan de schakeling als binair bouwelement van een [[digitaal]] systeem gebruikt worden, maar ook als schakelaar van grote stromen.

===== Voorbeeld =====
[[Bestand:transistorcircuit.png|border|right|250px|Transistor als stroomversterker]]
Een transistor in een schakeling als stroomversterker. De curves <math>U_b</math>(basis), <math>I_b</math>(basis) en <math>I_c</math>(collector) geven ter illustratie een tijdsafhankelijk verloop aan: <math>U</math> is spanning, <math>I</math> is stroom. Aan de basis wordt een ingangssignaal aangeboden: een [[Elektrische spanning|spanning]] <math>U_b</math>, die een ingangsstroom <math>I_b</math> veroorzaakt. Daardoor komt de transistor "in geleiding": het [[Elektrische geleidbaarheid|geleidingsvermogen]] van het [[Elektrisch netwerk|circuit]] van [[Batterij (elektrisch)|batterij]], [[Elektrische weerstand (eigenschap)|weerstand]] <math>R_c</math> en van collector naar emitter, neemt toe, waardoor de stroom <math>I_c</math> kan gaan vloeien. Met een kleine stuurstroom <math>I_b</math> kan een veel grotere stroom <math>I_c</math> worden geregeld.

==== Fototransistor ====
Een [[fototransistor]] is een bipolaire transistor waarvan de pn-overgang tussen basis en emitter voor licht toegankelijk is. Sturing vindt hier plaats door het invallende licht.

==== Veldeffecttransistor ====
Een kleine stuurspanning op de ''gate'' van een [[veldeffecttransistor]] (''field-effect transistor'', FET) beïnvloedt de weerstand van het kanaal tussen ''source'' en ''drain'', waardoor de grotere stromen die in dit kanaal kunnen lopen geregeld kunnen worden. Een essentieel verschil tussen een bipolaire transistor en een FET is dat bij de bipolaire transistor de collectorstroom wordt geregeld door een stroom (door de basis van de transistor), terwijl bij de FET de sourcestroom wordt geregeld door een spanning (op de gate).

== Toepassing ==
[[Bestand:Transistor curve tracer.jpg|thumb|''Transistor-curvetracer'', apparaat om transistors mee te onderzoeken en grafieken te tekenen.]]
[[Geïntegreerde schakeling]]en (soms ook ''chips'' genoemd) zijn opgebouwd met (soms miljarden) transistors als basis. In [[Digitaal|digitale]] chips worden transistors niet als [[Analoog signaal|analoge]] versterker gebruikt, maar als elektronische [[schakelaar]]s.

Vóór de uitvinding van de transistor gebruikte men [[Elektronenbuis|elektronenbuizen]] of [[relais]] voor dit soort toepassingen. Sommige [[computer]]s bestonden toen uit een hele kamer vol elektronenbuizen. Aangezien elk van die buizen een beperkte levensduur had, moest er geregeld een buis vervangen worden en moesten delen van berekeningen weer over gedaan worden. Voor [[telefooncentrale]]s die met relais gebouwd werden golden vergelijkbare problemen.

== Bouwvormen ==
Naast de conventionele transistors met aansluitdraden (Engels: ''through-hole transistors'') worden de laatste jaren vooral veel [[Surface-mount technology|SMD]]-transistors toegepast. SMD-componenten nemen veel minder ruimte in op een printplaat en er hoeven geen gaatjes te worden geboord in de printplaat om de SMD-componenten te bevestigen.

== Koeling ==
Transistors moeten de warmte die tijdens het bedrijf ontstaat, kunnen afvoeren. Bij de kleine transistors in TO-18-, TO-39- en TO-92-behuizingen valt de warmte die door [[dissipatie]] wordt opgewekt, meestal wel mee, maar met name bij de zogenoemde ''vermogenstransistors'' kunnen de stromen (en daardoor dus ook de vermogens) zodanig groot worden, dat een [[koelplaat]] moet worden gebruikt om de warmte af te geven aan de lucht. Behalve de stroom is ook de frequentie waar de transistor op werkt een factor in de warmteontwikkeling, bijvoorbeeld bij [[Processor (computer)|computerprocessoren]] door de grote aantallen geïntegreerde transistors.

Als alleen een koelplaat onvoldoende is, kan het noodzakelijk zijn ook een [[ventilator]] te gebruiken. Dit wordt geforceerde koeling genoemd. Deze wordt bijvoorbeeld toegepast bij de ventilator van de processor in een computer.

Voor het berekenen van een koellichaam gaan we als volgt te werk: Het temperatuurverschil tussen junctie ''j'' en omgeving ''a'' is
:<math>T'_\text{(j-a)}=P \times R_\text{th(j-a)}</math>,
met ''T''<nowiki/>' = temperatuur in [[Kelvin (eenheid)|kelvin]] = [[Celsius|graden Celsius]] + 273,15), ''P'' het gedissipeerd vermogen en <math>R_\text{th}</math> de thermische weerstand. De omgevingstemperatuur moet hier nog bij opgeteld worden en het totaal moet dan lager zijn dan de maximaal toegelaten junctietemperatuur (voor [[silicium]] ongeveer 150 tot 200 graden Celsius). Volgt uit de berekening dat ''T''<sub>j</sub> te hoog wordt, dan moet een koelplaat worden toegepast. Het thermisch circuit bestaat dan uit drie in serie geschakelde weerstanden <math>R_\text{th(j-m)}</math>, <math>R_\text{th(m-h)}</math> en <math>R_\text{th(h-a)}</math>. Dit zijn respectievelijk de thermische weerstand van junctie naar huis of montageplaat ('''m'''ounting base), van behuizing naar koellichaam ('''h'''eat sink) en van koellichaam naar omgeving ('''a'''mbient = lucht). Bij gebruik van een isolatieplaatje (bijvoorbeeld mica) moet ook hiervan de thermische weerstand <math>R_\text{th(i)}</math> in rekening worden gebracht. De vereiste <math>R_\text{th(h-a)}</math> wordt berekend met de vergelijking:

::<math>R_\text{th(h-a)} = \frac{T_{j(\text{max})} - T_\text{a}}{P} - R_\text{th(j-m)} - R_\text{th(i)} - R_\text{th(m-h)}</math>

Voorbeelden van praktische warmteweerstanden: een TO-3 behuizing die met twee M3-bouten direct is gemonteerd zonder geleidende pasta levert een <math>R_\text{th(m-h)}</math> ~ 0,6&nbsp;K/W. Met pasta wordt dat ~ 0,1 K/W en met een [[mica]]plaatje respectievelijk 1&nbsp;K/W en 0,3&nbsp;K/W. Standaard [[Printplaat|printmateriaal]] met een koperoppervlak van 50 × 50&nbsp;mm, koperdikte 35&nbsp;µm heeft een <math>R_\text{th(m-a)}</math> ~ 50&nbsp;K/W als de transistor aan de isolerende zijde is gemonteerd.

Voor de diverse koellichamen wordt de thermische weerstand door de fabrikant opgegeven, die neemt op groter hoogte toe. Een koellichaam dient bij voorkeur in verticale stand te worden gemonteerd om de luchtstroom die door de warmteafgifte wordt veroorzaakt zo weinig mogelijk te hinderen. Voor blanke oppervlakken is de thermische weerstand 10 à 15% hoger. Bij horizontale opstelling moet met 15 à 20% hogere waarden worden gerekend.

=== Rekenvoorbeeld ===
Een berekening van de maximale warmteweerstand <math> \mathrm{R_{th(h-a)}}</math> (koelplaat-omgeving).
:<math>T_\text{j(max)}</math> (sperlaag) = 160 °C
:<math>T_\text{a}</math> (omgeving) = max 40 °C
:<math>P_\text{dissipatie}</math> = 8 watt
:<math>R_\text{th(c-h)}</math> (behuizing - koellichaam) = 3 °C/W
:<math>R_\text{th(j-c)}</math> (sperlaag-behuizing) = 4 °C/W, dan
:<math>R_\text{th(h-a)} = \frac{D_\text{t}}{P_\text{v}} - R_\text{th(j-m)} - R_\text{th(i)} = \frac{160-40}{8} - 3 - 4 = 8</math> °C / W

== Externe link ==
* {{en}} [https://www.computerworld.com/article/2538123/the-transistor--the-most-important-invention-of-the-20th-century-.html Uitleg van de transistor], computerworld.com

{{Appendix||2=
== Noten ==
{{References}}
}}
{{Commonscat|Transistors}}

[[Categorie:Halfgeleidercomponent]]