Transistors — Kleine elektronische reuzen

DRAAGBARE radio’s en tv-toestellen, gehoorapparaten — ze hebben hun bestaan grotendeels te danken aan de kleine elektronische reuzen met de naam transistor. Wat is de achtergrond van dit elektronische wonder? De theorie van de transistor houdt nauw verband met de quantummechanica, een wetenschap die zich bezighoudt met zeer kleine deeltjes, zoals atomen en elektronen.

Wat doen transistors nu precies? Wat zijn de voordelen ervan? Hoe worden ze gemaakt?

In principe doet een transistor hetzelfde werk als een elektronenbuis. De transistor wordt veelal toegepast als versterker. Dat wil zeggen, de transistor versterkt bijvoorbeeld de door een radio- of tv-antenne opgevangen signalen.

Men kan zich dit versterken als volgt voorstellen: aan de ene zijde van de transistor komt een klein elektrisch signaal binnen; dit signaal wordt door de transistor overgenomen en aan de andere zijde versterkt weergegeven. De als versterker gebruikte transistor ontvangt een elektrisch beeld van het signaal in de vorm van een variërende stroom; hij geeft nu een stroom af met misschien wel een twintigmaal zo groot vermogen als de binnenkomende stroom, maar met hetzelfde patroon van elektrische variaties.

Voordelen

Iemand vraagt zich misschien af waarom men dan zo’n drukte moet maken over transistors als ze eigenlijk precies hetzelfde doen als een buis. De reden hiervoor is dat de transistor bepaalde dingen voor heeft op zijn voorvader, de elektronenbuis.

Het eerste voordeel van de transistor is zijn kleine omvang. Zijn grootte is ongeveer een honderdste van die van een elektronenbuis met dezelfde mogelijkheden; met andere woorden, als de buis zo groot is als de duim van een mens, heeft de transistor ongeveer de grootte van een erwt. Door de transistor kan allerlei elektronische apparatuur geminiaturiseerd worden.

Deze kleine elektronische reuzen hebben nog een ander voordeel: ze hebben voor hun werking veel minder energie nodig dan buizen. Dit komt omdat transistors geen gloei- of verwarmingsdraad bezitten. Wil een buis werken, dan is er een verwarmingsdraad, gloeidraad genaamd, (enigszins overeenkomend met het verwarmingselement bij een elektrisch fornuis, alleen veel kleiner) nodig om elektronen van de kathode of het elektronen-uitzendende deel van de buis, af te „koken”. De transistor heeft een dergelijke verwarmingsdraad niet nodig. En omdat de transistor bijna gaan warmte produceert, wordt hij ook niet heet. Als een buis heet wordt, verbruikt hij energie.

Andere voordelen zijn: geen voorverwarmingsperiode, en duurzaamheid. De transistor werkt meteen en heeft geen voorverwarmingsperiode nodig zoals de buis. Ook is de transistor veel duurzamer daar er zich in het inwendige geen fijne draden bevinden, zoals bij de buis. Als gevolg daarvan is de transistor betrouwbaarder. Sommige personen hebben geschat dat als men een transistor dag en nacht zou laten werken, jaar in jaar uit, hij een levensduur van ongeveer acht tot tien jaar zou hebben. Er bestaat voor deze kleine elektronische reuzen eigenlijk geen enkele reden om ermee op te houden; ze kunnen echter nadelige gevolgen ondervinden van schokken, wisselingen in de temperatuur en vochtigheid.

De vele voordelen van de transistors hebben bijvoorbeeld de communicatiesatelliet mogelijk gemaakt. Op 3 juli 1962 werd de Telstar-communicatiesatelliet gebruikt om rechtstreekse televisiebeelden van de Verenigde Staten naar Europa te zenden. De Telstar ontving de signalen van een grondstation in de Verenigde Staten; deze signalen werden in de satelliet versterkt en weer uitgezonden, zodat ze door een ander ver weg gelegen grondstation konden worden opgevangen. Daar transistors voor hun werking zeer weinig energie nodig hebben, kon er voor de energievoorziening van zonnebatterijen gebruik worden gemaakt. De Telstar-satelliet is uitgerust met één elektronenbuis en 1064 transistors plus andere „vaste stof”-elementen. De communicatiesatellieten die sinds de Telstar zijn gelanceerd, zijn alle uitgerust met transistors. Maar waar worden transistors van gemaakt?

Gemaakt van halfgeleiders

Stoffen die de elektriciteit zeer goed geleiden, worden geleiders genoemd. Zo zijn bijvoorbeeld zilver, aluminium en koper geleiders. Hoe komt het nu dat een bepaalde stof een goede geleider is? Wegens het grote aantal vrije elektronen in de stof. Wat zijn nu precies „vrije” elektronen? Wel, de elektronen in deze stoffen zijn in zoverre vrij dat ze zich makkelijk van het ene atoom van de geleider naar het andere kunnen bewegen.

Sommige stoffen daarentegen die geen goede geleiders van de elektriciteit zijn, worden isolatoren genoemd. Deze stoffen zijn niet in het bezit van vrije elektronen. Als gevolg daarvan zal er niet makkelijk elektriciteit doorstromen. Daarom worden zulke stoffen ook gebruikt voor het isoleren van huishoudelijke apparaten, als beveiliging tegen schokken. Zo zijn stekkers met rubber bekleed en lichtschakelaars gemaakt van plastic.

Er bestaat nog een derde groep van stoffen — vaste stoffen die bekendstaan als halfgeleiders. De stoffen die tot deze groep behoren, geleiden de elektriciteit niet goed, maar ze zijn ook geen goede isolatoren. Daarom worden dergelijke stoffen halfgeleiders genoemd. Germanium (ontdekt door een Duitse chemicus en om deze reden genoemd naar Duitsland [lat.: Germania]) en silicium zijn de bekendste halfgeleiders.

Hoe komt het nu dat de stoffen van deze derde groep geen goede geleiders en ook geen goede isolatoren zijn? De reden waarom ze slechts matig goede geleiders zijn, is een gemis aan vrije elektronen. En ze zijn ook geen goede isolatoren omdat er niet veel energie voor nodig is om vrije elektronen te doen ontstaan. Het aantal vrije elektronen neemt zelfs ongeveer een miljoen maal toe als de temperatuur van -17 °C tot 175 °C wordt verhoogd.

Transistors worden vervaardigd van zuivere, kristallijne halfgeleiders; en omdat deze stoffen in vaste toestand verkeren, in tegenstelling tot de vloeibare en gasvormige toestand, worden transistors wel „vaste stof”-elementen (Eng.: solid-state devices) genoemd.

Er moeten onzuiverheden worden toegevoegd

Vreemd genoeg werken halfgeleiders in zuivere vorm niet erg goed, maar als er een juiste hoeveelheid verontreiniging aan wordt toegevoegd, werken ze uitstekend.

Maar waarom moeten er verontreinigingen worden toegevoegd? Omdat een klein spoortje verontreiniging wat vrije elektronen of juist het omgekeerde, een gebrek aan elektronen, doet ontstaan. Zo veroorzaken sommige verontreinigingen geen vrije elektronen, maar halen uit enkele atomen van de halfgeleider elektronen weg. Met welk gevolg? Dat een atoom van de halfgeleider een elektron mist. Er is een elektronenplaats onbezet. Dit wordt een gat genoemd. Het voordeel van een „gat” is nu dat het zich van het ene atoom naar het andere kan verplaatsen. En een stroom van deze „gaten” die van het ene atoom naar het andere bewegen, vormt een elektrische stroom. Het „gat” wordt een drager van positieve elektrische lading, in tegenstelling tot het negatief geladen elektron.

Halfgeleiders die in het bezit zijn van vrije elektronen worden van het n-type genoemd (wegens de negatieve lading). Als de stof „gaten” heeft of elektronen mist, noemt men de halfgeleider van het p-type (wegens de positieve lading).

Ter illustratie: als arsenicum in zeer zuiver gesmolten silicium of germanium wordt opgelost, ontstaat er een overmaat aan elektronen, die men bijna kan opvatten als vrije elektronen. Het resultaat is een stof van het n-type omdat het arsenicum-atoom vijf buitenste elektronen heeft en het germanium-atoom slechts vier, zodat er een overmaat aan elektronen ontstaat. Deze elektronen kunnen heel makkelijk losraken en vrije elektronen worden.

Wat gebeurt er als er borium of aluminium aan de halfgeleider wordt toegevoegd? Wel, deze twee elementen hebben slechts drie buitenste elektronen. Er is dus een tekort aan elektronen, vergeleken bij het germanium; met andere woorden er is een „gat”. Het resultaat is een stof van het p-type.

Gemaakt van verschillende lagen

De transistor bestaat uit een laag stof van het p-type, gevoegd tussen twee lagen stof van het n-type. Dit wordt een n-p-n-transistor genoemd. Het is ook mogelijk dat een transistor bestaat uit een laag stof van het n-type tussen twee lagen stof van het p-type. Dit wordt een p-n-p-transistor genoemd.

De grensvlakken, waar deze stoffen elkaar raken, zijn verantwoordelijk voor de versterking. Ze kunnen worden vergeleken met kleppen die een stroom vrij kunnen laten passeren, maar ook tegenhouden, wat afhangt van de richting waarin het voltage of de elektrische spanning over de grensvlakken wordt aangelegd.

Microminiaturisatie

Hoewel de transistor in vergelijking met de buis een kleine omvang heeft en weinig energie gebruikt, hebben nieuwe ontwikkelingen nog kleinere pakketjes elektronische onderdelen mogelijk gemaakt dan reeds met de transistor het geval was. Deze pakketjes worden geïntegreerde schakelingen of kortweg IC’s (Eng.: Integrated Circuits) genoemd.

Bij deze nieuw ontwikkelde techniek worden zowel transistors als andere elementen van de schakeling in een aantal lagen samengebracht. Deze kleine pakketjes vormen complete schakelingen in plaats van slechts één onderdeel (bijvoorbeeld een transistor) van een schakeling. Geïntegreerde schakelingen openden de weg tot microminiaturisatie.

Zo zegt de eenmaal per jaar verschijnende wetenschappelijke publikatie Science Year (1968): „Op het ogenblik zijn de IC’s een kwart centimeter in het vierkant en enkele honderdsten van een millimeter dik. Net als bij transistors gaat er praktisch geen elektrische energie in de vorm van warmte verloren, waardoor ze weinig koeling nodig hebben. . . . Een geheel uit IC’s vervaardigd tv-apparaat zou, met uitzondering van de beeldbuis en de luidspreker, in een klein lucifersdoosje passen.”

Laten wij, om het verschil te laten zien tussen deze volledige schakelingen en de afzonderlijke bouwelementen van een schakeling, eens denken aan een doos ter grootte van twee melkkartonnen van een liter. In die doos zou een schakeling kunnen die misschien honderd conventionele onderdelen zou bevatten. Maar hoeveel onderdelen zouden met geïntegreerde schakelingen in diezelfde ruimte kunnen worden opgeborgen? Ongeveer een miljard.

De nieuwe ontwikkelingen zijn dus werkelijk verbazingwekkend. De vorderingen van de mens in de kunst van miniaturisatie zijn beslist voor een groot deel te danken aan die kleine elektronische reus, de transistor. Toch is de kunst van microminiaturisatie op zich niet nieuw. De Schepper van de mens microminiaturiseerde de menselijke hersenen. Hij ontwierp deze zo dat er zich in de ruimte van de hersenen ongeveer honderd miljard werkzame onderdelen bevinden.