Transistorien perusteet: 2N3904, 2N3906, 2N2222 ja 2N2907 NPN- ja PNP-transistorien esimerkkeinä

Ensimmäinen toimiva transistori valmistettiin peräti 70 vuotta sitten, 23.12.1947!¹ Transistori on todennäköisesti yksi kaikkien aikojen vallankumouksellisimmista komponenteista. Se tasoitti tietä kohti integroituja piirejä, mikroprosessoreita ja tietokoneiden muistia.

Tässä artikkelissa käsitellään seuraavia asioita

(voit siirtyä haluamaasi osioon napsauttamalla linkkiä):

• Mikä transistori on?
• Miten transistori toimii?
• Sovellukseen sopivan transistorin valinta
• Esimerkkejä transistoripiireistä
• Transistorin keksimisen historiaa
• Linkkejä lisäinformaatioon

Mikä transistori on?

Transistori eli BJT (Bipolar Junction Transistor, bipolaaritransistori tai bipolaarinen liitostransistori) on sähkövirralla toimiva puolijohdinlaite, jolla voidaan ohjata sähkövirtaa. Kannan kautta kulkeva pieni sähkövirta ohjaa kollektorin ja emitterin välistä suurempaa virtaa. Transistoreita voidaan käyttää heikon signaalin vahvistimena, oskillaattorina tai kytkimenä.

Ne valmistetaan yleensä piikiteestä, jolle kerrostetaan N- ja P-tyypin puolijohdekerrokset. Ks. alla oleva kuva 1.

Kuva 1: Kuvassa 1a esitetään 2N3904 TO-92 ‑transistorin poikkileikkaus, joka paljastaa piihin sidotut osat E – emitteri, B – kanta ja C – kollektori. Kuva 1b on peräisin Radio-Electronics Magazinessa² toukokuussa 1958 julkaistusta artikkelista, ja se esittää N- ja P-tyypin kerrosten poikkileikkaukset ja asettelut (materiaalina käytettiin tuolloin germaniumia).

Transistorit on suljettu hermeettisesti ja ne on koteloitu muovi- tai metallikuoreen, jossa on kolme johdinta (kuva 2).

Kuva 2: Eräiden suosittujen kotelotyyppien kokovertailu.

Miten transistori toimii?

Tässä esimerkissä kerrotaan, miten NPN-transistori toimii. Transistorin toimintaa kytkimenä voidaan kuvailla vertaamalla sitä putkessa virtaavaan veteen, jota ohjataan venttiilillä. Vedenpaine edustaa "jännitettä" ja putken läpi virtaava vesi edustaa "virtaa" (kuva 3). Suuri putki vastaa kollektorin ja emitterin siirtymävyöhykettä, jossa niiden välissä on venttiili (kuvassa harmaa soikio). Venttiili on tavallaan liikkuva läppä, jonka liikettä ohjataan pienestä putkesta tulevalla virtauksella. Tämä vastaa kantaa. Venttiili estää vedenpaineen virtauksen kollektorilta emitteriille. Pienemmän putken (kannan) läpi virtaava vesi avaa kollektorin ja emitterin välisen siirtymävyöhykkeen venttiilin, jolloin vesi pääsee virtaamaan emitterille ja edelleen maahan (maa esittää tässä vertauksessa kaiken veden tai jännitteen/virran paluuta).

Kuva 3: Transistorin toiminta esitettynä vertauksen avulla. Pienemmän putken (kannan) läpi virtaava vesi avaa kollektorin ja emitterin välisen siirtymävyöhykkeen venttiilin, jolloin vesi pääsee virtaamaan emitterille ja edelleen maahan.

Sovellukseen sopivan transistorin valinta

Jos transistoria halutaan käyttää yksinkertaisesti piirin tai kuorman kytkemiseen, täytyy ottaa huomioon tiettyjä asioita. Päätä, haluatko biasoida eli syöttää transistorikytkintä positiivisella vai negatiivisella virralla (valitse siis vastaavasti NPN- tai PNP-tyyppi). NPN--transistoria ohjataan (tai kytketään päälle) kantaan biasoidulla positiivisella virralla. Tällä ohjataan virran kulkua kollektorilta emitterille. PNP-tyypin transistoreita puolestaan käytetään ohjataan biasoidulla negatiivisella virralla. Tällä ohjataan virran kulkua emitteriltä kollektorille. (Huomaa, että PNP-transistorin napaisuus on päinvastainen kuin NPN-transistorin.) Katso tarkemmat tiedot alla olevasta kuvasta 4.

Kuva 4: Transistorityyppien piirikaaviosymbolit.

Bias-jännitteen määrittämisen jälkeen on valittava kuorman käyttöön tarvittava jännite ja virta eli transistorin vähimmäisjännite ja ‑virta. Taulukoissa 1 ja 2 esitetään eräitä suosittuja transistoreita sekä niiden tärkeimpiä teknisiä tietoja, kuten jännite- ja virtarajat.

  Transistorit, NPN ja PNP, jalallinen ja pintaliitos

Taulukko 1. Suosittuja jalallisia ja pintaliitostyyppisiä NPN- ja PNP-transistoreita.

Transistorit, NPN ja PNP, metallikotelo

Taulukko 2. Suosittuja NPN- ja PNP-transistoreita metallikotelossa.

Esimerkkejä transistoripiireistä

Seuraavassa kuvassa 5 on esimerkki piiristä, joka kytkee kollektori-emitteri-siirtymävyöhykkeen päälle syöttämällä virtaa kantaan eli kytkee transistorin biasoimalla sen (syöttämällä 5 volttia kantaan liukukytkimen kautta). Tämän esimerkin piiri sytyttää ledivalon (piirin kuorman). Kannan biasoinnissa on käytettävä vastuksia, joilla estetään liian suuri sähkövirta. Käytin jalallisia osia tämän esimerkkipiirin testaukseen koekytkentälevyllä. Suunnittelijat käyttävät uusissa myyntiin tarkoitetuissa tuotteissa yleensä pintaliitoskomponentteja, jotka ovat paljon pienempiä kuin TO-92-kotelo. Tämän linkin takaa löydät 3904-transistorien kotelokoot.

Koska 2N3904 on NPN-transistori, kanta on biasoitava positiivisesti (sopivat jännitetasot ja vastukset) kollektori-emitteri-siirtymävyöhykkeen kytkemiseksi siten, että virta kulkee halutulla tavalla. Myös kuormitusvastuksen (R1) käyttö on tärkeää, sillä muuten ledin ja transistorin kautta kulkee liian suuri virta. Katso lisätietoja tästä transistorista 2N3904-transistorin teknisistä tiedoista.

Kuva 5: Esimerkkipiirissä 2N3904-transistori kytkee ledivalon päälle EG1218-liukukytkimellä. Piiriin on merkitty C (kollektori)-, E (emitteri)- ja B (kanta) ‑kosketinnastat.

Kuvassa 6 on esimerkki PNP-transistorilla toteutetusta yövalaistuspiiristä. Voit tutkia tätä piiriä tarkemmin Digi-Keyn suunnitteluwikisivuilla hakemalla sanoilla ”PNP Night Light”.

Kuva 6: Esimerkkipiirissä 2N3906-transistori kytkee yövalon päälle PDV-P5003-valokennolla (kuva on piirretty Scheme-it-palvelussa).

Transistorin keksimisen historia lyhyesti

Mistä kaikki alkoi? Tarinan juuret ovat syvällä, mutta aloitan tässä kuitenkin puhelimen keksimisestä. Ensimmäisen toimivan prototyypin keksijästä on monia näkemyksiä. Puhelimen patentoi joka tapauksessa ensimmäisenä Alexander Graham Bell 7.3.1876³, joka perusti myöhemmin American Telephone and Telegraph ‑nimisen yhtiön (AT&T). Bellin patentti raukesi noin vuonna 1894¹. AT&T hallitsi puhelinmarkkinoita 1900-luvun alkupuolelle saakka, mutta alalle perustetut uudet yritykset veivät osan AT&T:n asiakkaista. AT&T halusi kuitenkin pysyä valtiaana ja laajentaa markkinoitaan. AT&T:n pääjohtaja Theodore Vail¹ halusi vuonna 1909 välittää puheluja koko Amerikan mantereen halki, New Yorkista Kaliforniaan. Siihen tarvittiin kuitenkin hyvä vahvistin tai toistin, joka vahvistaisi signaalia sen pitkällä matkalla. Thomas Edisonin työtä jatkanut John A. Fleming loi radioaaltojen havaitsemiseen käytettävän tyhjiöputkilaitteen (“oskillaatioventtiilin”), ja Lee De Forest oli jatkanut kehitystyötä jo vuonna 1906 muokkaamalla siitä edelleen putkitriodin – tehottoman kolminapaisen tyhjiöputken, jota voi käyttää vahvistimena. AT&T:n tuotteita valmistaneen Western Electric Companyn Harold Arnold kutsui Forestin esittelemään keksintöään vuonna 1912. Forestin putkitriodi toimi kyllä pienillä jännitteillä, mutta Arnold tarvitsi tehokkaiden äänentoistimien valmistukseen korkeampia jännitteitä. Arnold uskoi pystyvänsä jatkamaan putkitriodin kehittämistä ja kokosi yhteen joukon tutkijoita, joiden tehtävänä oli selvittää laitteen toimintaperiaate ja sen parantamismahdollisuudet. Työ onnistuikin lokakuussa 1913 ja pian sen jälkeen puhelinlinjoja asennettiin kaikkialle. AT&T:n vuosien varrella tekemät investoinnit huippututkijoihin saivat yrityksen ymmärtämään, että syvällinen tutkimus olisi kilpailuetu. Sen vuoksi vuonna 1925 perustettiin Bell Telephone Laboratories.

Tarvittiin tuhansia tyhjiöputkia ja releitä, jotta puhelinlinjat voitaisiin pitää toiminnassa. Tyhjiöputket kuitenkin vaativat paljon tehoa, veivät paljon tilaa ja paloivat usein. Toisen maailmansodan aikana kehitettiin puolijohdediodi tutkakäyttöön. Bellin tutkimusjohtaja Mervin Kelly uskoi, että puolijohteiden avulla voitaisiin kehittää aivan uudenlainen laite, joka korvaisi kalliit ja epäluotettavat tyhjiöputket. Kelly esitteli William Shockleylle, yhdelle yrityksen lahjakkaimmista fyysikoista, visionsa siitä miten parantaa komponentteja, joita käytetään äänen siirtämiseen lankoja pitkin. Kelly kertoi, ettei hän jäisi kaipaamaan meluisia mekaanisia releitä ja tehoa ahmivia tyhjiöputkia, jos ne jossain vaiheessa korvattaisiin puolijohteisiin perustuvilla elektroniikkalaitteilla. Shockley innostui asiasta ja puolijohteiden kehittämisestä tuli hänen ykköstavoitteensa. Kelly nimitti asiaa selvittävän tiimin johtajaksi Schockleyn,

joka oli häikäisevä teoreetikko, mutta ei kovin hyvä toteuttamaan ajatuksiaan käytännössä. Shockley oli yrittänyt jo useita kertoja todistaa ideansa elektronien kenttäefektisiirrosta, jossa puolijohteen kaksi puolta kytkettäisiin toisiinsa johtamalla sähköä puolijohteiden yläpuolella olevaan levyyn, mutta tämä ei ollut onnistunut. Hän kääntyi turhautuneena kahden muun Bellin fyysikon puoleen: John Bardeen tunsi puolijohteiden elektroniteorian perusteellisesti, ja Walter Brattain osasi puolestaan tehdä prototyyppejä ja käyttää laboratorion laitteita. Molemmat miehet liittyivät Schokleyn tiimiin ja Shockley antoi kaksikon työskennellä itsenäisesti. Kenttävaikutusta yritettiin vuosien varrella saada toimimaan toistuvasti siinä kuitenkaan onnistumatta. Tiimi tarkisti laskelmansa. Teoriassa kaiken olisi pitänyt toimia. Bardeen ja Brattain päättivät yrittää jotakin uutta ja saada kenttäilmiön toimimaan käyttäen ohuita leikkeitä piistä ja germaniumista. Syksyllä 1947 alkoi tapahtua edistymistä, kun puolijohteen pinnalle tiivistyvä vesi aiheutti vaikeuksia Brattainille. Hän ei yrittänyt kuivata vettä pois vaan päinvastoin laittoikin vesipisaran piilevylle, johti sähköä sen yläpuolella olevaan levyyn ja huomasi, että sähkövirta vahvistui. Vesipisara auttoi ylittämään pintavallin, mikä auttoi elektronivirran synnyttämisessä, mutta ratkaisu oli hidas. Sillä ei myöskään pystytty vahvistamaan äänisignaaleja puhtaasti, jota äänen siirtämiseen tarvittaisiin.

Tutkijat keksivät joulukuussa 1947 kokeilla kenttäefektivälin poistamista, veden poistamista ja kultakoskettimien lisäämistä puolijohteeseen. He siirtyivät käyttämään germaniumia, joka oli tuohon aikaan helpompaa työstää, ja käyttivät sen eristämiseen germaniumin pinnalle luonnostaan muodostuvaa ohutta oksidikerrosta. Lukuisat kokeet johtivat epäonnistumisiin. Viimein joulukuun puolivälissä Walter Brattain oli – ilmeisesti vahingossa – pessyt oksidipinnan pois, jolloin kulta kosketti germaniumia suoraan. Bingo!!! Hän oli keksinyt hyvän vahvistimen, ja transistori toimi. Sen sijaan, että elektroneja olisi vedetty Shockleyn teorian mukaisesti puolijohteen pinnalle, Brattain ja Bardeen olivat keksineet, että kosketus kultakoskettimen kanssa synnytti puolijohteeseen pieniä aukkoja, joiden ansiosta sähkö pääsi virtaamaan. Tutkijapari alkoi joulukuun puolivälissä 1947 valmistaa toimivaa prototyyppiä kertomatta siitä Shockleylle. Brattain kehitti muovikolmion muotoisen laitteen, jonka vinoilla reunoilla oli kultakalvo ja kärjessä äärimmäisen ohut rako. Tämä oli hyvin karkea prototyyppi. Tutkijat tekivät paperinliittimestä jousen, jolla kolmiota painettiin kiinni ohuen kuparilevyn päälle asetettuun ohueen germaniumpuolijohteeseen. Laitteessa oli kaksi johdinta, yksi kolmion kummassakin päässä. Germaniumsiivun alla oleva kuparilevy toimi tavallaan kolmantena johtimena (ks. kuva 7). Laitteen nimeksi tuli kärkitransistori.

Brattain ja Bardeen soittivat Shockleylle kertoakseen hänelle hyvät uutiset. Tutkimukseni perusteella Shockley koki varsin ristiriitaisia tunteita – hän iloitsi toimivan laitteen keksimisestä, mutta oli pettynyt siihen, ettei itse ollut osallistunut suoraan sen luomiseen. Keksintö esiteltiin Shockleyn pomoille viikkoa myöhemmin, 23.12.1947, ja keksintö julkistettiin 30.6.1948. Myöhemmin siitä otettiin kuva historiaa varten (kuva 8). Shockley tiesi, että hauraan kärkitransistorin valmistukseen liittyisi haasteita, ja paneutui keksinnön parantamiseen (itsekseen). Shockley työskenteli kuumeisesti ja yritti ratkaista ongelman omalla tavallaan. Hän dokumentoi ideansa siitä, että laitetta voisi integroida kerrostamalla puolijohdemateriaalit yhteen. Teorian viimeistely vaati vielä paljon lisätutkimusta ennen patentin hakemista liitostransistorille eli tasotransistorille (hakemus tehtiin 25.6.1948). Toimiva N-P-N-liitostransistori demonstroitiin 20.4.1950. Se perustui Gordon Tealin ja Morgan Sparksin työhön. Kuten varmasti uskot, kehitykseen liittyy vielä paljon enemmän yksityiskohtia⁴.

William Shockley, John Bardeen ja Walter Brattain saivat 10.12.1956 Nobel-palkinnon transistorivaikutuksen keksimisestä.

Kuva 7: Kärkitransistori (kuvan käyttöön saatu Nokia Oyj:n lupa).

Kuva 8: John Bardeen (vasemmalla), William Shockley (keskellä) ja Walter Brattain (oikealla). (Kuvan käyttöön saatu Nokia Oyj:n lupa)

Lähteet

1. Riordan, Michael ja 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, toukokuu, s. 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. ”ALEXANDER GRAHAM BELL”. Viitattu 19.12.2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson ja Conyers Herring. 1999. ”The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Lisätietoa löytyy osoitteesta http://www.pbs.org/transistor/