4. Transistor, schakelaar moderne tijd...

Transistor is een afkorting van "transfer resistor" wat overdrachtsweerstand betekend. De transistor is een component waaruit 3 elektrische aansluitingen komen. Deze worden B (basis), C (collector), en E (emitter) genoemd.

Een transistor is een elektronisch onderdeel dat een elektrische trilling kan versterken. De transistor bestaat uit een kristal van een halfgeleider in een afgesloten omhulling van metaal of kunststof. Er zijn in het algemeen drie aansluitingen elektroden genoemd. Aan een daarvan (de emitter) wordt het te versterken signaal toegevoerd, aan de tweede (collector) kan het versterkte signaal worden onttrokken, de derde aansluiting is voor beide signalen gemeenschappelijk (basis).

Tussen de emitter en basis en tussen de collector en basis bevindt zich een diode.

Over de basis-emitter-diode wordt een positieve spanning gelegd, zodat vrije elektronen uit de emitter (N) in de basislaag (P) terecht komen. De basis-emitter-diode opent. Doordat het emittermateriaal talrijke vrije elektronen bezit, wordt de zeer dunne basislaag zodanig overspoeld, dat de elektronen ook in de PN-overgang tussen basis en collector dringen, hoewel deze zich in spertoestand bevindt. Eenmaal in deze overgang worden de vrije elektronen door de positieve collector aangetrokken; er vloeit een collectorstroom. De basis-emitter-stroom heeft een collector-emitter-stroom tot gevolg.

Bij alle transistoren geldt: basis stroom+ collector stroom = emitter stroom

Een transistor, een bijzondere weerstand eigenlijk, is een elektronisch onderdeel (ook component genoemd). In tegenstelling tot andere onderdelen zoals weerstanden en condensatoren, is het een actieve component. Actief betekent dat de eigenschappen kunnen veranderen onder invloed van bijvoorbeeld een (kleine) stroom of spanning. Daardoor kan een transistor een stroom versterken (zoals in een versterker van een radio) of schakelen (zoals in een bewegingssensor of een computer). Daardoor is hij in hedendaagse elektronische apparaten het belangrijkste element. Er zijn meer transistoren in onze directe omgeving aanwezig dan we misschien zouden denken. Een elektrisch polshorloge met wijzers zal er enkele tientallen bevatten. Een digitaal horloge enkele honderden tot duizenden, afhankelijk van hoeveel foefjes erop zitten. In de Dual-Core Itanium, de nieuwste chip van Intel die het hart vormt van grote netwerkcomputers, zogenaamde servers, zitten er grofweg anderhalf miljard. Je kunt overigens in de elektronicahobbywinkel bouwpakketjes kopen waarmee je met slechts één transistor, zo klein en zwart als een dubbelzout dropje, een echte AM-radio kunt bouwen.

De eerste werkende transistor werd in december 1947 gemaakt door William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain, medewerkers van Bell Laboratories. Dit laboratorium was het onderzoekcentrum van de grote Amerikaanse telefoongigant AT&T. Het ging hier om een puntcontacttransistor gemaakt op een stukje éénkristalsgermanium. De naam ‘transistor’ is een samentrekking van ‘transconductance’ en ‘varistor’, wat weer een samentrekking is van ‘variable resistor’. De naam zegt dus precies wat het element doet: het dingetje is een variabele weerstand (in het Engels: ‘variable resistor’), waarvan de geleiding (‘conductance’) wordt overgedragen vanuit een ander signaal. De naam werd bedacht door een collega van de uitvinders, John R. Pierce.

Enkele maanden later, nog voordat Bell Laboratories zijn resultaten openbaar had gemaakt, behaalden de Duitsers Herbert F. Mataré en Heinrich Welker het zelfde resultaat. Deze onderzoekers werkten bij de Franse Westinghouse firma in Parijs.

Shockley, Bardeen en Brattain kregen in 1956 de Nobelprijs voor hun vinding. De puntcontacttransistor was moeilijk in massaproductie te maken. In 1950 maakte Shockley de eerste bipolaire junctiontransistor, die beter in massa te produceren was. Dit type transistor maakte de opmars van de elektronica pas echt mogelijk.

De transistor is gemaakt van een halfgeleidermateriaal. Normaal geleidt een halfgeleider elektrische stroom (beweging van elektronen) niet doordat net als bij een isolator, de elektronen 'gebonden' zijn aan de atomen. Bij een geleider, bijvoorbeeld een metaal, kunnen de elektronen wel vrij door het materiaal bewegen en zijn niet gebonden aan de atomen. Onder sommige omstandigheden, bij hoge temperatuur, onder invloed van licht of als de halfgeleider verontreinigingen (doping) bevat, zijn er wel vrije elektronen in een halfgeleider. Hierdoor wordt de halfgeleider dan geleidend. Bekende halfgeleiders zijn zeer zuiver silicium en germanium. Voor gebruik in transistoren wordt daarin plaatselijk verontreinigingen van fosfor of boor aangebracht. Slechts ongeveer één op de miljoen atomen is zo’n andere atoom!

Silicium komt als siliciumoxide veel op aarde voor in zand en gesteente.

De transistor verving de tot dan toe voor versterking gebruikte elektronen of radiobuis. De radiobuis was groot, moeilijk te maken, gebruikte veel energie, benodigde een hoge spanning en had een beperkte levensduur. Met de transistor was veel makkelijker draagbare apparatuur (radio’s) op batterijen te maken. Om deze reden was in de jaren 60 het begrip "transistor" voor niet-technici synoniem met een kleine radio. Doordat de transistor veel kleiner was konden alle elektronische onderdelen op een isolerende plaat gemonteerd worden. Een stap verder was het aanbrengen van geleidende sporen op die plaat, de printplaat was geboren. In het begin werden met de transistor voornamelijk alleen radio’s en televisies gemaakt.

Een grote vooruitgang was de uitvinding in 1958 door Jack Kilby dat op één stukje silicium meer transistoren tezamen met weerstanden en condensatoren gemaakt konden worden. Het geïntegreerd circuit (IC) of de elektronische chip was geboren. Tegenwoordig worden chips gemaakt door allerlei dunne laagjes op het silicium aan te brengen en deze met een fotografische techniek (fotolithografie) vorm te geven (delen eruit halen). Men belicht een fotogevoelige lak op de chip met het gewenste patroon. De afmetingen van de kleinste onderdeeltjes daarvan zijn tegenwoordig kleiner dan een tienduizendste millimeter.

Het overgrote deel van de transistoren in deze wereld zit in digitale schakelingen zoals computers en mobiele telefoons. Digitaal wil zeggen dat deze apparaten informatie verwerken en opslaan die gecodeerd is in nullen en enen. Daarbij is afgesproken dat een 1 overeenkomt met een elektrische stroom en dus met een openstaande transistor, en een 0 met een onderbroken stroom ofwel een gesloten transistor. Als een digitaal apparaat deze informatie op een zinvolle manier moet kunnen verwerken, dan moet het beschikken over een opslag. Daarvoor dient de condensator. Die is te vergelijken met de watertoren in het waterleidingsysteem. Net als bij een watertoren, moet je een kraan of transistor openzetten om hem te vullen. Maar als er eenmaal elektrische lading in zit, dan kan het er vanzelf weer uitkomen – als je de juiste transistor tenminste openzet. Met de lading die erin zit, kunnen vervolgens andere transistoren worden aangestuurd.

Het technisch-wetenschappelijk en economisch belang van de transistor is voor Nederland groot geweest. Philips was wereldwijd een belangrijke producent van transistors en IC’s. In het Philips Natuurkundig Laboratorium in Eindhoven werd hieraan veel onderzoek gedaan. Philips had meer dan 25.000 patenten op halfgeleider gebied op zijn naam staan en had in 2005 een omzet van 4,8 miljard euro. Inmiddels is dit bedrijfsonderdeel als NXP verzelfstandigd. De aanwezigheid van Philips heeft gezorgd voor veel andere bedrijven die machines maken voor de IC produktie. Voorbeelden zijn ASM in Bilthoven en Almere en ASML in Veldhoven. , ASML is fabrikant van lithografische machines. Deze machines voeren het fotolithografische productieproces snel en efficiënt uit. Per uur bewerken ze tot enkele honderden siliciumplaten waarop meerder chips tegelijk worden gefabriceerd, vaak complete computerprocessoren. ASML heeft klanten over de hele wereld. Het bediende in 2005 58% van de wereldmarkt voor fotolithografische machines en had in dat jaar een omzet van 2,5 miljard euro.

In de loop der tijd zijn transistoren steeds kleiner geworden, waardoor er steeds meer op een chip passen. De Wet van Moore stelt dat elke achttien maanden het aantal transistors op zo’n chip, en daarmee de rekencapaciteit van de chip, verdubbelt. Dit betekent dat in de afgelopen vijftig jaar een groei plaatsvond met een factor tien miljard, en dat blijkt heel redelijk te kloppen. Transistoren zijn steeds kleiner, goedkoper en betrouwbaarder geworden. Op dit moment zijn de kleinste transistoren op zo’n chip niet groter dan 50 nanometer; daarvan gaan er dus 20.000 in een millimeter! Dankzij deze ontwikkeling hebben we nu bijna allemaal een eigen pc en een mobieltje (gsm), en zijn televisies en radio’s voor iedereen betaalbaar.

Overigens doen zich juist bij dat kleiner maken een paar problemen voor. Kleiner dan klein is op den duur niet mogelijk: atomen hebben bepaalde afmetingen en het is niet mogelijk om dingen te maken die kleiner zijn dan die atomen. Maar zelfs voordat die afmetingen bereikt worden, dienen zich al andere problemen aan. Als materialen zo klein zijn, blijken ze zich anders te gedragen dan wanneer ze een tastbare grootte hebben: er treden zogenaamde kwantumeffecten op. Ook het gedrag van het licht dat wordt gebruikt bij het fotolithografische productieproces, vormt op die hele kleine schaal een probleem. Het gaat met name niet meer zo mooi rechtdoor als wanneer je met een zaklamp door de nacht schijnt.

Om deze problemen te overwinnen zullen wetenschappers op zoek moeten naar nieuwe materialen en nieuwe productiemethoden. Wetenschappers zitten dan ook niet stil om transistoren toch nog wat kleiner te kunnen maken. Aan de Technische Universiteit Delft zijn onderzoekers er in 2001 in geslaagd om een transistor te bouwen waarbij één elektron (de kleinste hoeveelheid elektrische lading die voorkomt) het verschil maakt tussen een transistor die aan staat en een die uit staat. Deze is opgebouwd uit nanobuisjes van koolstof. Het voorvoegsel ‘nano-‘ wordt gebruikt voor technologieën die afmetingen hebben van enkele tientallen tot honderden nanometers. Nanotechnologie is op dit moment big business, ook op het gebied van elektronica zijn de verwachtingen hooggespannen. Deze transistoren zijn nog niet zo klein als de kleinste van 50 nanometer, maar wellicht lukt dat op den duur wel.

Anderen proberen bijvoorbeeld biologische processen in te zetten bij de productie van transistoren. Israëlische wetenschappers slaagden er in 2003 in om langs biologische weg een enkelvoudige transistor op basis van koolstof nanobuisjes te maken. Zij maakten daarbij gebruik van het proces dat normaal gesproken verantwoordelijk is voor het vertalen van DNA-code naar eiwitten, een proces dat in elke levende cel voorkomt.

Vanwege de veelzijdigheid van de transistor zal de toepassing niet beperkt blijven tot apparaten die we nu kennen. Transistoren kunnen ook gebruikt worden als sensoren voor bijvoorbeeld licht, temperatuur en zelfs zuurgraad. De zuurgraad sensor (ISFET) werd ontwikkeld aan de Univeristeit Twente en wordt geproduceerd door de firma Sentron in Roden. Sinds kort worden sensoren bijvoorbeeld rechtstreeks meegebakken in een chip. Zo ontstaat een apparaatje dat de informatie van een sensor ter plekke verwerkt: een ‘chiplaboratorium’ ofwel Lab-on-a-Chip. Als zo’n chip maar klein genoeg gemaakt wordt, is het mogelijk een compleet laboratorium in ons lichaam in te brengen.

Elektriciteit zal naar verwachting nog wel enige tijd de belangrijkste manier zijn om informatie te verwerken. Er wordt wel onderzoek gedaan naar alternatieven, bijvoorbeeld schakelingen op basis van licht (de zogenaamde fotonica). De eerste lichtprocessor ligt echter nog niet in de winkel. En zolang elektriciteit een rol speelt, zal de transistor een belangrijke basiscomponent blijven.

 

Voor meer informatie, surf bijvoorbeeld naar www.transistormuseum.com (engelstalig)