Transistor, halvleder-forsterkerelement som baserer sin virkemåte på fysikalske forhold ved overganger fra et område inne i en halvleder med overskudd av elektroner til et område med underskudd av elektroner. Det er to slike overgangsområder i en transistor.
Transistorer brukes innen elektronikk til forsterkning, kontroll og generering av elektriske signaler. Den ble oppfunnet 1948 av amerikanerne J. Bardeen, W. H. Brattain og W. Shockley. De fikk Nobelprisen for oppfinnelsen 1956.
Prinsipp, virkemåte
Et område med overskudd av elektroner kommer i stand ved at halvledermaterialet, vanligvis krystallinsk silisium, tilsettes små mengder av et stoff (f.eks. fosfor) med flere elektroner i sitt ytre elektronskall enn de fire som silisiumatomene har. Halvlederen kalles da N-type, fremmedatomene donorer. Tilsvarende vil tilsetning av et stoff (f.eks. bor) med færre elektroner forårsake plasser i krystallstrukturen der det mangler et elektron. En slik tom plass kalles et hull. Man betrakter hull som bevegelige idet et elektron fra et naboatom kan flytte seg og okkupere et hull, og derved selv etterlate seg et nytt hull. Hullene kan betraktes som positive ladningsbærere, og halvlederen sies å være av P-type. Fremmedatomene kalles akseptorer.
Betrakter man først bare ett overgangsområde, uten at noen ytre spenning er påtrykt, vil man se at de frie elektronene i N-typematerialet nær overgangen vil bli frastøtt av de faste, negative ladningene i det tilgrensende P-typematerialet. Fremmedatomene, som ble tilsatt P-typematerialet, er nemlig selv blitt negativt ladet ved at hullene er ledet vekk. Tilsvarende blir de frie hullene i P-typematerialet frastøtt av de faste positive ladningene i N-typematerialet. De faste romladningene i overgangsområdet setter således opp et elektrisk felt som hindrer ladningsbevegelsen gjennom overgangen.
Påtrykker man nå en PN-overgang en liten spenning fra et utvendig batteri, motvirkes det interne feltet og elektroner strømmer mot høyre, hull mot venstre. N-typematerialet har vanligvis meget større konsentrasjon av donorer enn P-typen har av akseptorer, slik at de ladningsbærere som krysser PN-overgangen hovedsakelig er elektroner. N-typematerialet kalles transistorens emitter, P-typematerialet dens base. Hvis bare basen hadde vært der, ville elektronene diffundere inn i den og etter hvert nøytralisere seg med hullene der. Nå eksisterer imidlertid et tredje halvlederområde (av N-type) i nærheten av emitter-base-overgangen. Dette kalles kollektoren, og er forspent slik i forhold til basen at den interne spenningsbarrieren øker. I dette overgangsområdet vil det da være et kraftig elektrisk felt som trekker base-elektronene over PN-overgangen og gjennom kollektor-halvledermaterialet til kollektorterminalen. Basen er gjort så tynn at så få elektroner som mulig skal rekke å nøytralisere seg med hull før de samles opp av kollektoren.
Den strømmen som ble injisert ved den lave emitter-base-spenningen (mindre enn én volt), leveres så ut fra base-kollektor-kretsen som er forspent med høy spenning. Følgelig har man fått effektforsterkning.
Utførelse
Enkelttransistoren lages i en skiveformet struktur. Utgangsmaterialet er f.eks. N-type silisium formet som en 1/4 mm tykk skive med regulær krystallstruktur. Basen og emitteren fremkommer ved å la fremmedatomer trenge inn i skiven. Dette skjer ved diffusjon. Derved kan materialet i et avgrenset volum som grenser mot skivens overflate, forandres fra f.eks. N-type til P-type halvleder. Kollektoren er den del av den opprinnelige skiven som er ubehandlet. Kontakter til base og emitter dannes ved pådampet aluminium. Resten av skivens overflate beskyttes med et lag silisiumdioksid. Kontakt til kollektor fås ved skivens underside, idet denne legeres til en ledende holder for transistoren.
Integrerte kretser
Ved fremstilling av elektroniske konstruksjoner ble tidligere transistoren loddet fast sammen med andre elektroniske komponenter til et kort med trykt ledningsføring. I dag lager man ved utvidelse av den prosess som er beskrevet for fremstilling av en transistor også andre komponenter som dioder, motstander og kondensatorer. Disse fremstilles samtidig med transistoren i én og samme silisiumskive. De enkelte elementer har alle kontaktflater ut til skivens overflate hvor de kobles sammen ved et pådampet og etset metallisk ledningsmønster. Man får således en fullstendig krets, bestemt til å oppvise en komplisert funksjon, som et udelelig legeme. Dette betegnes som en integrert krets. Se også mikroelektronikk, mikroprosessor og felteffekttransistor.
Kraftelektronikk
Transistorer benyttes også til styring av store effekter, og kalles da krafttransistorer. Transistoren brukes i slike sammenhenger ofte som en svitsj, dvs. som en elektrisk styrt bryter som enten leder eller ikke leder. Eksempel på slike anvendelser er i en vekselretter.
Styrt likeretter, ofte kalt tyristor, er et halvlederelement som består av 3 PN-overganger. Den kan utføre en av/på-bryterfunksjon med mindre tap enn en transistor. Tyristoren har en styre-elektrode som gjør det mulig å kontrollere den tid den skal være åpen for strømgjennomgang. Strømmen kan så gå gjennom tyristoren bare én vei. Tyristoren kan foruten til likeretting også brukes til å omdanne likestrøm til vekselstrøm (vekselretting) samt til fase- og frekvenskontroll.