Grundlæggende transistor: NPN & PNP ved hjælp af 2N3904, 2N3906, 2N2222 og 2N2907

Utroligt nok blev den første operationelle transistor erklæret for 70 år siden, den 23. december 1947! ¹ Transistoren er sandsynligvis en af de mest revolutionerende komponenter, der nogensinde er opfundet. Det førte vejen for oprettelsen af integrerede kredsløb, mikroprocessorer og computerhukommelse.

I denne artikel vil vi diskutere følgende områder;

(klik på linket for at springe til et afsnit, der passer til dine behov)

• Hvad er en transistor?
• Hvordan fungerer en transistor?
• Valg af en transistor til din applikation
• Eksempler på transistorkredsløb
• Historie bag opfindelsen af transistoren
• Reference links til videre undersøgelse

Hvad er en transistor?

En transistor, også kendt som en BJT (Bipolar Junction Transistor), er en strømdrevet halvlederindretning, som kan bruges til at styre strømmen af elektrisk strøm, hvor en lille mængde strøm i basisledningen styrer en større strøm mellem samleren og Emitter. De kan bruges til at forstærke et svagt signal, som en oscillator eller som en switch.

De er normalt lavet af siliciumkrystal hvor N & P halvlederlag af typen er klemt sammen. Se figur 1 nedenfor.

Figur 1: Figur 1a viser a2N3904 TO-92 cut-away afslørende E - Emitter, B - Base og C - Collector ledninger bundet til Silicon. Figur 1b er taget fra et maj 1958 Radio-Electronics Magazine² der viser N & P-type lagskiver og -arrangementer (refereret til som Germanium-materiale på det tidspunkt).

Transistorer er hermetisk forseglet og indkapslet i plast eller en metaldåse med tre ledninger (figur 2).

Figur 2: En sammenligning af størrelsen og en række populære pakkeformer.

Hvordan fungerer en transistor?

For eksempel vil vi vise, hvordan en NPN-transistor fungerer. En enkel måde at se dens funktion på som en switch er at tænke på vand, der strømmer gennem et rør, der styres af en ventil. Vandtryk repræsenterer 'Spænding', og vand, der strømmer gennem et rør, repræsenterer 'Strøm' (figur 3). De store rør repræsenterer samler-/emitterkrydsningen med en ventil imellem, udtrykt i figuren som en grå oval, som en bevægelig klap, der aktiveres af strøm fra et lille rør, der repræsenterer basen. Ventilen holder vandtrykket i at strømme fra samler til emitter. Når vand strømmer gennem det mindre rør (basen), åbner det ventilen mellem kollektor/emitterkryds, så vand kan strømme igennem til emitteren og videre til jorden (jorden repræsenterer retur for alt vand eller spænding/strøm).

Figur 3: Denne grafiske gengivelse illustrerer, hvordan en transistor fungerer. Når vand strømmer gennem det mindre rør (Base), åbner det ventilen mellem samler / emitter-krydset, så vand kan strømme gennem emitteren til jorden.

Valg af en transistor til din applikation

Hvis du blot vil tænde for et kredsløb eller tænde for en belastning, er der visse ting, du bør overveje. Find ud af, om du vil forspænde eller aktivere din transistorkontakt med positiv eller negativ strøm (dvs. Henholdsvis NPN- eller PNP-type). En NPN transistor drives (eller tændes) af positiv strøm, der er forspændt ved basen for at styre strømmen fra Collector til Emitter. PNP type transistorer drives af en negativ strøm, der er forspændt ved basen for at kontrollere strømmen fra emitter til kollektor. (Bemærk, at polariteten for PNP er omvendt fra NPN.) Se figur 4 nedenfor for flere detaljer.

Figur 4: Skematiske symboler for hver type transistor.

Efter at forspændingen er bestemt, er den næste variabel, der er behov for, mængden af spænding og strøm, som belastningen kræver for at fungere. Disse vil være transistorens minimumspænding og strømværdier. Tabel 1 og 2 nedenfor viser nogle populære transistorer og nøglespecifikationer inklusive deres spændings- og strømgrænser.

Transistorer, NPN og PNP, bly- og overflademontering

Tabel 1. Populære blyholdige og overflademonterede NPN- og PNP-transistorer.

Transistorer, NPN og PNP, metal dåse pakker

Tabel 2. Populært metal kan pakkede NPN- og PNP-transistorer.

Eksempler på transistorkredsløb

Figur 5 nedenfor viser et kredseeksempel, der tænder samler-emitterkryds ved at aktivere basen eller forspænde transistoren for at tænde den ved at bringe 5 volt til basen via en glidekontakt. Dette eksempel lyser en LED, som er belastningen i dette tilfælde. Korrekt brug af modstande for at forhindre overstrømstrækning er påkrævet, når basen forspændes. Jeg brugte blyholdige dele i et breadboard til at teste mit eksempelkredsløb. De fleste ingeniører bruger overflademonterede komponenter (meget mindre størrelse end en TO-92-pakke), når det kommer til at bruge transistorer i et nyt produktdesign, der kommer på markedet. Her er et link, der viser forskellige pakkestørrelser til3904 transistorer.

Da 2N3904 er en NPN-transistor, har basen brug for positiv forspænding (passende spændingsniveauer og modstand) for at tænde kollektoremitterkryds for korrekt strømflow. Brug af en belastningsmodstand (R1) er også vigtig, så der ikke køres for meget strøm gennem LED og transistor. For mere information om denne transistor, se2N3904 datablad.

Figur 5: 2N3904 kredsløbseksempel til belysning af en LED med enEG1218 glidekontakt, der viser stifterne C (Collector), E (Emitter) og B (Base) (billedet tegnet i skema-it).

Figur 6 er et eksempel på et nattelyskredsløb ved hjælp af en PNP-transistor. For at se detaljerne i dette kredsløb, link over tilDigi-Keys tekniske wiki-side og søg PNP Night Light.

Figur 6: 2N3906 eksempel natlyskredsløb til belysning af en LED med en PDV-P5003 fotocelle (billede tegnet i skema-it)

Kort historie om opfindelsen af transistoren

Hvordan startede det hele? Dette kaninhul går meget dybt; dog starter jeg med opfindelsen af telefonen. Mange ville diskutere, hvem der virkelig opfandt den første fungerende elektriske prototype; dog blev det første patent opnået af Alexander Graham Bell den 7. Marts ^th, 1876 ³, og han dannede senere det amerikanske telefon- og telegraffirma (også kendt som AT&T). Lige omkring 1894 ¹ Bells patent udløb. Selvom AT&T dominerede telefonmarkedet frem til begyndelsen af 1900'erne, dannede andre virksomheder og tog kunder væk fra AT&T. På grund af dette følte virksomheden behovet for fortsat at dominere og udvide deres marked. I 1909 præsenterede AT&T præsident Theodore Vail ¹ ville sende telefonopkald transkontinentalt (New York til Californien). Men for at gøre dette havde de brug for en god forstærker eller repeater for at øge signalerne, der kørte lange afstande. Tidligere i 1906 havde Lee De Forest taget en idé skabt af John A. Fleming (som tog arbejde fra Thomas Edison, oprettede en vakuumrøranordning kaldet "oscillationsventil", der blev brugt til at detektere radiobølger), ændrede den til at skabe trioden - et ineffektivt 3 terminal vakuumrør, der kunne bruges som forstærker. I 1912 blev Forest inviteret af Harold Arnold fra Western Electric Company (AT & T's producent) til at vise sin opfindelse. Selvom Forest's Triode arbejdede ved lave spændinger, havde Arnold brug for den til at arbejde ved højere spændinger for at skabe effektive repeatere til transmission af stemme over lange afstande. Arnold troede, at han kunne skabe en bedre triode, og så hyrede han forskere til at forstå, hvordan enheden fungerede, og hvordan han kunne forbedre den. I oktober 1913 havde han succes. Kort efter blev telefonlinjer installeret overalt. De investeringer, som AT&T foretog ansættelse af topforskere gennem årene, fik dem til at indse, at udføre dyb forskning ville give dem en konkurrencemæssig fordel i forhold til deres konkurrence og dannede således "Bell Telephone Laboratories" i 1925.

Mange tusinde vakuumrør og relæer var nødvendige for at holde telefonlinjerne i gang. Vakuumrør tog imidlertid meget strøm, var store og brændte ofte ud. At få en forståelse fra 2. verdenskrigs teknologiske udvikling af krystal ensretteren, der blev brugt til at muliggøre radar, havde Mervin Kelly, Bells forskningsdirektør, en anelse om, at halvledere (solid-state-enheder) kan være svaret på at skabe en enhed, der kunne erstatte de dyre, upålidelige vakuumrør. Kelly søgte en af deres strålende fysikere, William Shockley, for at forklare sin vision om at forbedre de komponenter, der blev brugt til at overføre tale over ledninger. Kelly udtrykte sine følelser for, at han ville være glad, når støjende mekaniske relæer og strømhungrige vakuumrør en dag ville blive erstattet af solid-state elektroniske enheder. Dette holdt virkelig godt sammen med Shockley og blev hans primære mål. Kelly satte Shockley til at finde en måde at få det til at ske.

Han var en strålende teoretiker, men ikke så god til at konstruere sine ideer. Shockley havde gjort adskillige forsøg på at prøve at bevise en idé, han havde om overførsel af elektroner til markeffekt for at forbinde to sider af en halvleder ved at aktivere en plade over halvlederne. Han lykkedes ikke. Frustreret henvendte han sig til to andre fysikere ved Bell labs, John Bardeen (strålende med elektronteori i halvledere) og Walter Brattain (fantastisk med prototype og brug af laboratorieudstyr). De blev en del af hans hold. Shockley tillod det dobbelte hold at arbejde alene. I årenes løb blev der gjort mange forsøg på at få felteffekt til at fungere, men det gjorde det aldrig. De gennemgik deres beregninger og i teorien skulle det have fungeret. Når de tænkte ud af kassen, eksperimenterede Bardeen og Brattain med tynde skiver silicium og germanium, der forsøgte at få felteffekten til at virke. I efteråret 1947 var der tegn på fremskridt, da Brattain havde problemer med kondensvand, der bundfældede sig på overfladen af halvlederen. I stedet for at tørre det ud, placerede han en dråbe vand oven på silicium, aktiverede pladen over det og bemærkede en forstærkende effekt. Vanddråben hjalp med at overvinde overfladebarrieren, som hjalp med at skabe elektronstrømmen, men den var træg og ikke i stand til rent at forstærke stemmesignaler, der ville være nødvendige for at transmittere stemmen med succes.

I december 1947 (bemærket som Mirakelmåneden) overvejede de at eliminere kløften i felteffekten, fjerne vandet og skabe en guldkontakt for at røre halvlederen. De skiftede til germanium, som var lettere at arbejde med på det tidspunkt, og isolerede det med en tynd oxidfilm, der naturligt dannes på germanium. Mange tests blev udført uden succes. Så i midten af december, tilsyneladende ved et uheld, havde Walter Brattain utilsigtet vasket oxidbelægningen af og gjort guldkontakten direkte til germanium! Bingo !!! Han havde opdaget god forstærkning, og transistoren var funktionel. I stedet for at elektroner blev trukket til overfladen af halvlederen som teoretiseret af Shockleys felteffektide, havde Brattain/Bardeen opdaget, at ved at kontakte halvlederen med en guldkontakt injicerede de huller i halvlederen, hvilket gjorde det muligt for strømmen at strømme. Omkring midten af december 1947 begyndte de uden at oprette Shockleys kendskab til en operationel prototype. Brattain sammensatte et apparat i form af en plastik trekant med guldfolie langs de skrå kanter og lavede en barberkniv tynd spalte ved trekantpunktet. Det var en ekstremt rå prototype. De brugte en papirclips lavet til en fjeder til at presse trekanten ind i den tynde germanium halvleder oven på en tynd kobberplade, hvor der var to ledninger - en i hver ende af trekanten. Kobberpladen under germaniumskiven fungerede som 3 ^rd bly, hvis du vil (figur 7). Det endte med at blive kaldt Point Contact Transistor.

Brattain og Bardeen ringede til Shockley for at fortælle ham de gode nyheder. Det, jeg har undersøgt, siger, at Shockley havde blandede følelser, glad for, at det var funktionelt, men skuffet over, at han ikke direkte skabte det. Demonstrationen til Shockleys chefer kom en uge efter, at de opdagede den 23. december ^rd, 1947 (det blev offentliggjort den 30. juni 1948). Senere blev der taget et billede på det tidspunkt for historien (figur 8). Shockley vidste, at den skrøbelige kontakttransistor ikke ville være let at fremstille, og han blev fortæret ved at forsøge at gøre det bedre (af sig selv). Shockley arbejdede feberfuldt for at forsøge at løse problemet på sin måde... dokumenterede sine tanker om at forsøge at gøre det mere integreret ved at lægge halvledermaterialerne sammen. Meget mere forskning var involveret for at færdiggøre teorien om indgivelse af patent på krydsetransistoren (indgivet 25. juni ^th 1948). En funktionel npn-krydstransistor blev demonstreret den 20. april ^th, 1950 (aktiveret af Gordon Teal og Morgan Sparks arbejde). Detaljerne omkring alt dette går meget dybere, end du kan forestille dig ⁴.

Nobelprisen for opfindelsen af transistoreffekten blev tildelt William Shockley, John Bardeen og Walter Brattain den 10. december 1956.

Figur 7: Point Contact Transistor (genbrugt med tilladelse fra Nokia Corporation)

Figur 8: John Bardeen, venstre, William Shockley, midt og Walter Brattain, højre. (Genbrugt med tilladelse fra Nokia Corporation)

Referencer

1. Riordan, Michael og Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: Opfindelsen af transistoren og fødslen af informationsalderen. New York, NY: WW Norton & Company, Inc.
2. Ryder, RM 1958. “Ti års transistorer”,Radio-Electronics Magazine, Maj, side 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. “ALEXANDER GRAHAM BELL ”. Hentet 19. december 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson og Conyers Herring. 1999. "Opfindelsen af transistoren",Moderne fysik, Vol. 71, nr. 2: Centenary.

Yderligere oplysninger kan findes på:http://www.pbs.org/transistor/