En transistor är en halvledarkomponent med tre anslutningar som använder en liten ström eller spänning för att styra en mycket större ström. Den kan arbeta som en strömbrytare utan rörliga delar eller som en förstärkare. Den första transistorn byggdes 1947 vid Bell Labs i USA. I dag sitter tiotals miljarder transistorer i en enda processor. De är grunden för all modern elektronik.
Transistorn brukar kallas 1900-talets viktigaste uppfinning. Utan den hade det inte funnits några datorer eller mobiltelefoner. Här förklarar vi hur den fungerar, vad som skiljer de vanligaste typerna åt och hur du använder en transistor som brytare i en egen krets.
Vad gör en transistor?
En transistor gör två saker. Som strömbrytare slår den av och på en ström när den får en styrsignal. Som förstärkare gör den om en svag signal, till exempel från en mikrofon, till en starkare kopia som kan driva en högtalare.
I båda fallen är principen densamma: en liten ström in på styranslutningen bestämmer hur mycket ström som får gå mellan de två andra anslutningarna.
Bas, kollektor och emitter
Den klassiska transistorn kallas bipolär transistor och har tre anslutningar.
- Basen (B) är styranslutningen. En liten ström in i basen öppnar transistorn.
- Kollektorn (C) tar emot den stora strömmen från lasten.
- Emittern (E) släpper ut strömmen mot jord eller minus. Pilen i schemasymbolen sitter alltid på emittern.
Bipolära transistorer finns i två varianter, NPN och PNP. Bokstäverna beskriver hur kislets tre skikt är dopade. I en NPN-transistor pekar emitterpilen utåt och strömmen går från kollektor till emitter när basen är positiv. En PNP-transistor fungerar spegelvänt: pilen pekar inåt och den leder när basen dras mot minus.
MOSFET: transistorn i varje chip
Den andra stora familjen är fälteffekttransistorer, där MOSFET är vanligast. Den styrs av en spänning i stället för en ström och tar nästan ingen ström alls på styranslutningen. Anslutningarna heter gate (G), drain (D) och source (S).
MOSFET-transistorn demonstrerades vid Bell Labs 1960 av ett team under Mohamed Atalla och Dawon Kahng. Den går att göra extremt liten och drar lite effekt. Det är just den typen som sitter i datorns processor, mobilens minne och nästan alla andra integrerade kretsar.
| Bipolär (NPN, PNP) | MOSFET | |
|---|---|---|
| Styrs av | Ström in i basen | Spänning på gaten |
| Anslutningar | Bas, kollektor, emitter | Gate, drain, source |
| Typiskt | Förstärkare, enkla brytare | Processorer, minnen, kraftelektronik |
Transistorns historia
- 1947. John Bardeen och Walter Brattain bygger den första fungerande transistorn vid Bell Labs i New Jersey. Den består av två guldkontakter mot en kristall av germanium. William Shockley leder gruppen.
- 1956. Shockley, Bardeen och Brattain delar Nobelpriset i fysik för upptäckten av transistoreffekten.
- 1960. Den första fungerande MOSFET-transistorn demonstreras vid Bell Labs.
- 2023. En avancerad processor kan innehålla upp till 92 miljarder transistorer på ett enda chip.
De första transistorerna gjordes av germanium, men kisel tog över senare eftersom det tål högre temperaturer och är lättare att arbeta med i stor skala. Mer om ämnet finns på sidan om germanium.
Transistorn som strömbrytare
Mikrokontroller som Arduino kan bara leverera några tiotals milliampere från en utgång. Det räcker till en lysdiod men inte till en motor, ett relä eller en lång LED-list. Lösningen är att låta utgången styra en transistor, som i sin tur kopplar på den stora strömmen.
- Koppla lasten mellan matningsspänningen och transistorns kollektor.
- Koppla emittern till minus.
- Koppla utgången till basen via ett motstånd, ofta på 1 till 10 kΩ, som begränsar basströmmen.
- Styr lasten med en spole, till exempel ett relä eller en motor, ska en skyddsdiod kopplas över lasten. Den tar hand om spänningstoppen när strömmen bryts.
Hur dioder fungerar och varför skyddsdioden behövs förklaras på sidan om dioden. Basmotståndet räknar du ut med Ohms lag.
Transistorn som förstärkare
I en förstärkare arbetar transistorn i området mellan helt av och helt på. Små förändringar i basströmmen ger då proportionellt större förändringar i kollektorströmmen. Förhållandet kallas strömförstärkning och betecknas ofta hFE eller β. Det varierar mycket mellan typer och även mellan exemplar av samma typ, så förstärkarkretsar byggs för att fungera oavsett det exakta värdet. Databladet anger ett intervall.
Från ett exemplar till miljarder
En processor består av transistorer som arbetar som små brytare, där varje brytare kan stå i läget av eller på och motsvarar en etta eller en nolla. Kopplas transistorer ihop bildas logiska grindar som kan räkna, jämföra och minnas.
Sedan 1960-talet har antalet transistorer på ett chip ökat i ungefär samma takt år efter år, ett mönster som brukar kallas Moores lag. År 2023 kunde en processor innehålla 92 miljarder transistorer. Varje transistor är då så liten att den bara mäts i nanometer.
Testa en transistor
En bipolär transistor beter sig som två dioder som möts i basen. Med multimeterns diodläge kan du mäta mellan basen och kollektorn och mellan basen och emittern. På en hel NPN-transistor ska båda visa en framspänning på ungefär 0,6 till 0,7 V när den röda mätspetsen sitter på basen. Åt andra hållet ska ingen ström gå. Mellan kollektor och emitter ska det spärra åt båda hållen.
Vanliga frågor om transistorer
Vad är en transistor enkelt förklarat?
Som en elektronisk kran: en liten ström på styranslutningen bestämmer hur mycket av en större ström som får passera.
Vad är skillnaden mellan en transistor och ett relä?
Reläet är en mekanisk brytare som styrs av en elektromagnet. Transistorn har inga rörliga delar, kopplar miljontals gånger snabbare och slits inte. Reläet är däremot galvaniskt skilt och klarar enkelt 230 V växelström.
Vad betyder emitter?
Emittern är den anslutning på en bipolär transistor där strömmen lämnar komponenten, för en NPN-transistor ut mot minus. Ordet kommer av engelskans emit, sända ut.
Vad står NPN och PNP för?
Ordningen på kislets dopade skikt. N står för negativt dopat med överskott av elektroner. P står för positivt dopat med underskott.
Källor
- Wikipedia: Transistor (historia, MOSFET, antal transistorer)
- Nobelprize.org: The Nobel Prize in Physics 1956
Senast uppdaterad