Transistorgrunder: NPN och PNP med 2N3904, 2N3906, 2N2222 och 2N2907

Otroligt nog lanserades den första fungerande transistorn för 70 år sedan, 23 december 1947!¹ Transistorn är troligen en av de mest banbrytande komponenter som någonsin har uppfunnits. Den ledde utvecklingen för att ta fram integrerade kretsar, mikroprocessorer och datorminne.

I den här artikeln diskuterar vi följande områden.

(Klicka på länken för att hoppa över ett avsnitt som passar dina behov)

• Vad är en transistor?
• Hur fungerar en transistor?
• Välja en transistor för din tillämpning
• Exempel på transistorkretsar
• Historien bakom uppfinnandet av transistorn
• Referenslänkar för ytterligare information

Vad är en transistor?

En transistor, även känd som en BJT (bipolär transistor) är en strömdriven halvledarenhet som kan användas för att reglera strömflödet där en liten mängd ström i basledningen styr en större ström mellan kollektorn och emittern. De kan användas för att styra en svag signal, som en oscillator eller en omkopplare.

De tillverkas normalt av silikonkristall där havledarlager av N- och P-typ läggs ihop. Se figur 1 nedan.

Figur 1: Figur 1a visar en 2N3904 TO-92-genomskärning som visar E – emitter, B – bas och C – kollektor ledare kopplade till kisel. Figur 1b från Radio-Electronics Magazine från maj 1958² som visar lager och arrangemang av N- och P-typ (kallades germaniummaterial vid den tiden).

Transistorerna är hermetiskt förslutna med ett hölje av plast eller metall med tre ledare (figur 2).

Figur 2: En storleksjämförelse och ett urval av populära pakettyper.

Hur fungerar en transistor?

Som exempel ska vi visa hur en NPN-transistor fungerar. Ett enkelt sätt att illustrera dess funktion som omkopplare är att tänka sig vatten som strömmar genom ett rör som regleras med en ventil. Vattentrycket representerar spänningen och vattnet genom röret representerar strömmen (figur 3). De stora rören representerar kollektor/emitter-förgreningen med en ventil emellan, vilket visas med en grå oval i bilden, som en flyttbar klaff, som aktiveras av ström från ett litet rör som representerar basen. Ventilen håller vattentrycket från att flöda från kollektorn till emittern. När vattnet flödar genom det mindre röret (basen) öppnar det ventilen mellan kollektor/emitter-förgreningen och låter vattnet flöda genom emittern och vidare till jord (jord representerar returen för allt vatten eller spänning/ström).

Figur 3: Den här grafiska representationen illustrerar hur en transistor fungerar. När vattnet flödar genom det mindre röret (basen) öppnar det ventilen mellan kollektor/emitter-förgreningen och låter vattnet flöda genom emittern till jord.

Välja en transistor för din tillämpning

Om du bara vill slå på en krets eller slå på en belastning måste du tänka på vissa saker. Avgör om du vill biasera eller aktivera din transistor switch med positiv eller negativ ström (dvs. NPN- respektive PNP-typ). En NPN-transistor drivs (eller slås på) av positiv ström som biaseras vid basen för att styra strömflödet från kollektorn till emittern. Transistorer av PNP-typ drivs av en negativ ström som biaseras vid basen för at styra flödet från emittern till kollektorn. (Observera att polariteten för PNP är omvänd jämfört med NPN.) Se mer i figur 4 nedan.

Figur 4: Schematiska symboler för varje typ av transistor.

Efter att biasspänningen har avgjorts är nästa variabel som behövs mängden spänning och ström som lasten kräver för att användas. Dessa är transistorns minimivärden för spänning och ström. Tabell 1 och 2 nedan visar ett antal populära transistorer och nyckelspecifikationer inklusive deras spännings- och strömgränser.

Transistorer, NPN och PNP, med ledare och ytmonterade

Tabell 1. Populära NPN- och PNP-transistorer, med ledare och ytmonterade.

Transistorer, NPN och PNP, metallhöljen

Tabell 2. Populära NPN- och PNP-transistorer med metallhöljen.

Exempel på transistorkretsar

Figur 5 nedan visar ett kretsexempel som slår på kollektor-emitter-förgreningen genom att strömsätta basen, eller biasera transistorn att slå på den genom att tillföra 5 volt till basen via en skjutomkopplare. Det här exemplet tänder en LED som är lasten i det här exemplet. Korrekt användning av resistorer för att hindra för hög strömförbrukning krävs när basen biaseras. Jag använde delar med ledare i ett kopplingsdäck för att testa min exempelkrets. De flesta tekniker använder ytmonterade komponenter (mycket mindre storlek än ett TO-92-paket) när transistorer används i en ny produktdesign som ska ut på marknaden. Här följer en länk som visar olika paketstorlekar för 3904-transistorer.

Eftersom 2N3904 är en NPN-transistor behöver basen positiv biasering (lämpliga spänningsnivåer och resistans) för att slå på kollektor-emitter-förgreningen för korrekt strömflöde. Det är också viktigt att använda en belastningsresistor (R1) så att det inte drivs för mycket ström genom LED och transistorn. För mer information om den här transistorn, se 2N3904-databladet.

Figur 5: 2N3904 kretsexempel för att tända en LED-lampa med en EG1218-skjutomkopplare som visar stift C (kollektor), E (emitter) och B (bas) (Bilden ritad i Scheme-it).

Figur 6 är en exempelkrets för en nattlampa som använder en PNP-transistor. Mer information om den här kretsen hittar du på Digi-Keys teknik-wikiplats där du kan söka efter PNP-nattlampa.

Figur 6: 2N3906 exempel på en nattlampakrets där en LED-lampa tänds med en PDV-P5003-fotocell (Bilden ritad i Scheme-it)

En kort historik över uppfinnandet av transistorn

Hur började allt? Det här kaninhålet är väldigt djupt, men jag börjar med uppfinnandet av telefonen. Många skulle dock ifrågasätta vem som egentligen uppfann den första fungerande elektriska prototypen, men det första patentet tilldelades Alexander Graham Bell 7^{ mars} 1876^3 och han bildade senare American Telephone and Telegraph company (även kallat AT&T). Omkring 1894¹ gick Bells patent ut. Trots att AT&T dominerade telefonmarknaden fram till början av 1900-talet bildades andra företag som tog en del av AT&T:s kunder. På grund av detta kände företaget ett behov av att fortsätta dominera och expandera sin marknad. 1909 ville Theodore Vail¹, President på AT&T överföra telefonsamtal över kontinenten (från New York till Kalifornien). För att lyckas med detta behövde de en bra förstärkare eller repeater för att förstärka signalerna över långa sträckor. Tidigare, under 1906, hade Lee De Forest tagit en idé från John A. Fleming (som arbetade för Thomas Edison och skapade en vakuumröranordning som han kallade "oscillationsventil" som användes för att känna av radiovågor) och modifierade den för att skapa trioden – ett ineffektiv vakuumrör med 3 kopplingsplintar som kunde användas som förstärkare. 1912 blev Forest inbjuden av Harold Arnold på Western Electric Company (AT&T:s tillverkare) att visa sin uppfinning. Forests triod fungerade vid låga spänningar, men Arnold behövda en enhet som kunde arbeta med högre spänning för att skapa effektiva repeatrar för att sända röstsignaler långa sträckor. Arnold trodde att han kunde skapa en bättre triod och han anställde därför forskare som skulle ta reda på hur enheten fungerade och hur den kunde förbättras. I oktober 1913 lyckades han. Kort efter det installerades telefonlinjer överallt. De investeringar som AT&T gjorde i att anställa ledande forskare fick dem att inse att fördjupad forskning skulle ge dem en konkurrensfördel och därför bildade de "Bell Telephone Laboratories" 1925.

Tusentals vakuumrör och reläer krävdes för att hålla igång telefonledningarna. Vakuumrören krävde dock mycket energi, var stora och gick ofta sönder. Efter att ha fördjupat sig i teknikutvecklingen under andra världskriget när det gällde kristallikriktare fick Mervin Kelly, forskningschef på Bell, en föraning om att halvledare (solid-state-enheter) skulle kunna vara svaret på en enhet som kunde ersätta de dyra och otillförlitliga vakuumrören. Kelly tog kontakt med en av företagets skickliga fysiker, William Shockley, för att förklara sin vision om att förbättra komponenterna som användes för att överföra röstsignaler via kabel. Kelly sa att han skulle glädja sig den dag bullriga mekaniska reläer och effektförbrukande vakuumrör ersattes av elektroniska solid-state-komponenter. Det gick hem hos Shockley som gjorde det till sitt huvudmål. Kelly gav Shockley ansvaret att hitta ett sätt att förverkliga idén.

Han var en lysande teoretiker, men inte lika bra på att genomföra sina idéer i praktiken. Shockley hade gjort flera försök att bevisa en idé om fälteffektöverföring av elektroner för att förbinda de två sidorna i en halvledare genom att strömsätta en platta över halvledarna. Han lyckades inte. I frustration vände han sig till två andra fysiker på Bell labs, John Bardeen (expert på elektronteori i halvledare) och Walter Brattain (expert på prototyper och användning av laboratorieutrustning). De gick med i hans team. Shockley lät de båda arbeta på egen hand. Över åren gjordes många försök att få fälteffekten att fungera, men de lyckades aldrig. De gick igenom sina beräkningar och i teorin skulle det fungera. Bardeen och Brattain gick utanför bekanta tankebanor och experimenterade med tunna skivor av kisel och germanium och försökte få fälteffekten att fungera. Under hösten 1947 kom tecken på framgångar när Brattain fick problem med att kondenserat vatten samlades på halvledarens yta. Istället för att torka bort det placerade han en vattendroppe ovanpå kiselskivan, strömsatte plattan över den och noterade en förstärkande effekt. Vattendroppen hjälpte till att övervinna ytbarriären som hjälpte till att skapa elektronflödet, men det gick trögt och kunde inte ge den rena förstärkning av röstsignalerna som skulle krävas för att överföra dem.

I december 1947 (som kallades Miracle Month) kom de på att de skulle avlägsna mellanrummet i fälteffekten, tog bort vattnet och skapade en guldkontakt som vidrörde halvledaren. De skiftade till germanium, som var enklare att arbeta med vid den här tiden och isolerade den med den tunna oxidfilm som bildas naturligt på germanium. Många test utfördes utan framgång. I mitten på december råkade Walter Brattain tvätta bort oxidlagret så att guldkontakten fick direktkontakt med germaniumytan! Bingo! Han hade upptäckt bra förstärkning och transistorn fungerade. Istället för att elektroner drogs till ytan som i Shockleys fälteffektidé hade Brattain/Bardeen upptäckt att kontakt mellan halvledaren och en guldkontakt gjorde hål i halvledaren som medförde att elektriciteten kunde flöda. Runt mitten på december 1947 började de, utan Shockleys vetskap, skapa en fungerande prototyp. Brattain satte samman en anordning i form av en plasttriangel med guldfolie längs de lutande sidorna och gjorde ett mycket tunt snitt vid triangelns spets. Det var en mycket enkel prototyp. De använda ett gem som formades till en fjäder för att pressa triangeln mot den tunna germaniumhalvledaren ovanpå en tunn kopparplatta som hade två ledare en i varje ände av triangeln. Kopparplattan under germaniumskivan fungerade som en tredje ledare ^{(figur 7)}. Anordningen kallades till slut punktkontakttransistorn.

Brattain och Bardeen ringde Shockley för att meddela honom de goda nyheterna. Enligt det jag kunnat läsa mig till hade Shockley blandade känslor. Han var glad att den fungerade, men besviken att han inte var direkt inblandad i att skapa den. Demonstrationen för Shockleys chefer följde en vecka efter upptäckten 23 ^december 23 1947 (det meddelades offentligt 30 juni 1948). Senare togs en bild för at bevara tillfället för historien (figur 8). Shockley förstod att den bräckliga punktkontakttransistorn skulle vara svår att tillverka och han blev besatt av att försöka förbättra den (på egen hand). Shockley arbetade hårt för att försöka lösa problemet på sitt sätt och han dokumenterade sina tankar i att försöka göra den mer integrerad genom att lägga halvledarnas material i lager. En stor mängd ytterligare forskning krävdes för att slutföra teorin och lämna in ett patent på skikttransistorn (registrerat 25 ^juni 1948). En fungerande n-p-n-skikttransistor demonstrerades 20 ^april 1950 (möjliggjord genom Gordon Teals och Morgan Sparks arbete). Detaljerna runt allt detta går djupare än du kan tänka dig⁴.

Nobelpriset för uppfinnandet av transistoreffekten tilldelades William Shockley, John Bardeen och Walter Brattain 10 december 1956.

Figur 7: Punktkontakttransistorn (återanvänds med tillstånd från Nokia Corporation)

Figur 8: John Bardeen, till vänster, William Shockley, mitten och Walter Brattain, till höger. (Återanvänds med tillstånd från Nokia Corporation)

Referenser

1. Riordan, Michael och Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958. "Ten years of Transistors", Radio-Electronics Magazine, May, sidan 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. "ALEXANDER GRAHAM BELL". Hämtad 19 december 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson och Conyers Herring. 1999. "The Invention of the Transistor", Modern Physics, Vol 71, nr 2: Centenary.

Läs mer på: http://www.pbs.org/transistor/