Alle producten
Meest gekocht
Am häufigsten gekauft
Best beoordeelde producten
Top bewertete Produkte
Advies
Al in het midden van de 19e eeuw ontdekten natuurkundigen dat er materialen zijn die elektriciteit geleiden en materialen die dat niet doen. Zo hebben metalen zoals koper en zilver een uitstekend elektrisch geleidingsvermogen en zijn andere materialen zoals glas en porselein niet-geleiders of isolatoren. Verder onderzoek wees uit dat er ook materialen zijn die onder bepaalde omstandigheden geleidend of niet-geleidend kunnen zijn. Dergelijke materialen veranderen bijvoorbeeld hun geleidingsvermogen afhankelijk van de temperatuur. Zij vielen toen in de categorie "halfgeleiders". In 1874 merkte Ferdinand Braun, die later de Nobelprijs won, op dat wanneer metaal in contact komt met een stuk zwavelkorrel, de elektrische weerstand varieert naargelang de richting van de stroom. Destijds was er geen echte verklaring voor, maar al snel werd gebruik gemaakt van het gelijkrichter-effect.
Bij experimenten met een kleine germaniumplaat waarop twee metalen punten waren gedrukt, merkten de Amerikaanse natuurkundigen Bardeen, Schockley en Brattain in 1947 een versterkend effect van hun opstelling op. Dit was de ontdekking van het functionele principe van de bipolaire transistor. Het duurde vervolgens iets meer dan een decennium voordat op deze basis betrouwbaar functionerende onderdelen in grote hoeveelheden konden worden vervaardigd.
Vanaf de jaren zestig vervingen halfgeleidercomponenten de elektronenbuizen die tot dan toe overwegend in de elektronica werden gebruikt. In vergelijking daarmee hebben transistors aanzienlijke voordelen: zij zijn kleiner, vereisen geen verwarmingsvermogen, werken met aanzienlijk lagere bedrijfsspanningen en zijn mechanisch ongevoelig. Bovendien was het in de jaren zeventig mogelijk verschillende functionele eenheden op één halfgeleiderchip te combineren. De "geïntegreerde schakeling" begon zijn triomftocht in die tijd. Maar hier gaat het in de eerste plaats om afzonderlijke halfgeleidercomponenten, ook wel "discrete" halfgeleiders genoemd.
Het belangrijkste halfgeleidermateriaal vandaag de dag is silicium, dat enkele jaren geleden germanium verving, dat toen dominant was. Voor bepaalde toepassingen, b.v. opto-elektronica, zijn III/IV-verbindingen zoals galliumarsenide geschikt. Intussen zijn er ook toepassingen voor organische halfgeleiders.
Het onderscheid tussen isolator, halfgeleider en geleider heeft te maken met de fysische structuur van deze componenten. Om te kunnen geleiden, moeten zij van de zogenoemde valentieband overgaan in de zogenoemde geleidingsband. In tegenstelling tot een isolator, waar er een duidelijke kloof is tussen de geleidingsband en de valentieband, overlappen deze banden elkaar bij geleiders, b.v. metalen. In halfgeleiders liggen de banden dicht bij elkaar, zodat een externe invloed, b.v. temperatuurverhoging, lichtstraling of een elektrisch veld, de vrije ladingsdragers in de geleidingsband kan brengen.
Halfgeleidermateriaal wordt n-geleidend of p-geleidend gemaakt door er vreemde atomen in te brengen, de zogenaamde "doping". Dit betekent dat er óf een teveel óf een tekort aan vrije ladingsdragers is in de materiaalstructuren. De negatieve zijn de vrije elektronen; een positieve lading wordt een "gat" of "defect elektron" genoemd.
In voorwaartse richting bereiken de ladingsdragers de barrièrelaag en kunnen daar "recombineren", d.w.z. zich verenigen met een "gat". Wanneer de polariteit wordt omgekeerd, worden de ladingsdragers weggetrokken van de junctie. Er loopt geen stroom.
(1) Aansluiting, (2) n, (3) p, (4) Elektronenstroom
(1) Aansluiting, (2) n, (3) p, (4) Elektronenstroom
Bij de overgang tussen p- en n-gedoteerde halfgeleiders wordt een grenslaag gevormd, die ook wel "barrièrelaag" of p-n-overgang wordt genoemd. Hier kunnen de ladingsdragers bewegen, maar slechts in een zeer klein gebied dat beperkt wordt door het elektrostatisch veld tussen de bewegende ladingsdragers. Indien de negatieve pool van een elektrische spanning wordt aangelegd op de n-gedoteerde halfgeleider en de positieve pool op de p-gedoteerde halfgeleider, overwinnen de ladingsdragers het veld en kan er een stroom vloeien (Fig. 1 a). Dit proces vereist een minimale spanning. Dit is ongeveer 0,7 volt voor silicium en ongeveer 0,3 volt voor germanium. Als de spanning wordt omgekeerd, worden de ladingsdragers aan beide zijden uit de grenslaag onttrokken (Fig. 1 b). Er kan geen stroom lopen. Dit proces wordt het "gelijkrichter-effect" genoemd, de technische component is de "diode".
Als u een opstelling maakt bestaande uit drie materiaallagen met verschillende doping, b.v. N-P-N of P-N-P, ontstaan twee junctielagen zoals hierboven beschreven, die zich gedragen als twee tegen elkaar geschakelde dioden (fig. 2). Omdat één van de twee altijd in de omgekeerde richting staat, kan er geen stroom vloeien, ongeacht hoe de spanningsbron gepolariseerd is. Indien de middelste laag zeer dun is en daar een spanning wordt aangelegd, verschuiven de potentialen in de grenslagen en kunnen ladingsdragers deze overwinnen zodat een stroom mogelijk wordt. Deze opstelling werd door de uitvinders "transistor" genoemd, een verzonnen woord dat is samengesteld uit "transfer" en "resistor" (weerstand).
Een transistor heeft drie aansluitingen: "emitter" E, van waaruit de ladingsdragers uitgaan, "basis" B in het midden, waarop de stuurspanning wordt gezet, en "collector" C aan het andere uiteinde, waar de ladingsdragers worden "verzameld". De opeenvolging van de lagen bepaalt de richting van de stroom door het onderdeel: in het geval van de NPN-transistor loopt deze van de collector naar de emitter, en in het geval van de PNP-transistor van de emitter naar de collector. De technische richting van de stroom is tegengesteld aan de beweging van de elektronen. Zoals we weten, is een elektron negatief!
Omdat een zeer kleine stroom in de basisaansluiting een veel grotere stroom tussen collector en emitter veroorzaakt, heeft de component een versterkend effect. De verhouding tussen collector- en basisstroom is de "versterkingsfactor". Bij de huidige transistors ligt dit tussen een paar honderd en duizend. Bipolaire transistors worden aangestuurd met een stroom die afkomstig is van een spanningsbron. Dit betekent dat er elektrische stroom nodig is voor de besturing.
De junctie-veldeffecttransistor in doorsnede - hierbij wordt de weerstand van het stroomvoerende kanaal van de bron naar de drain geregeld door de gatespanning.
Naast de tot hiertoe beschreven bipolaire transistor bestaan er ook soortgelijke componenten die volgens een ander principe werken: de "veldeffecttransistoren" of "FET's". Deze bestaan uit een substraat waardoor elektrische stroom kan vloeien van een "bron" naar een "drain". Wanneer er een elektrostatisch veld op inwerkt, wordt de weg van de stromende ladingsdragers "versmald" en zelfs "afgeknepen". Aan één uiteinde bevindt zich een elektrode die van het substraat gescheiden is hetzij door een isolerende laag hetzij door een barrièrelaag Hier wordt de stuurspanning aangelegd. Op deze aansluiting, die "gate" wordt genoemd, staat tijdens de werking alleen een spanningspotentiaal. Hier loopt echter geen stroom (Fig. 3). De besturing van veldeffecttransistoren is dus krachteloos, in tegenstelling tot bipolaire transistoren. Junction FET's worden ook "J-FET's" genoemd en die met geïsoleerde poort "MOS-FET" of "metaaloxide halfgeleider-FET". Het geleidingskanaal kan n-gedoopt of p-gedoopt zijn ("N-kanaal" of "P-kanaal"), hetgeen de stroomrichting van het apparaat bepaalt.
(1) junctie, (2) n-kanaal, (3) D, (4) G, (5) S
Vandaag de dag wordt een onbeheersbare verscheidenheid aan discrete halfgeleidercomponenten vervaardigd. Er zijn overeenkomstige types voor bijna elke toepassing in de elektronica.
Het belangrijkste kenmerk waarin zij verschillen is het toelaatbare elektrische vermogen. In het geval van diodes is dit de maximale sperspanning en de toelaatbare stroom. Voor transistors is dit de maximale spanning tussen collector en emitter, de collectorstroom en de vermogensdissipatie die bij de component optreedt. Er zijn laag-vermogen- en vermogenstransistors. In het lage frequentiebereik kunnen alle versterkerfuncties, van voorversterker tot eindversterker, worden bestreken.
Een ander onderscheidend kenmerk is de maximumfrequentie tot welke een transistor kan worden gebruikt. Dit hangt af van het interne ontwerp van de structuren, die bepalend zijn voor de looptijden. Ook hier zijn er typen met een laag vermogen en met een hoog vermogen, die tegenwoordig tot in het GHz-bereik kunnen worden gebruikt. Dit bestrijkt het spectrum van toepassingen, van ontvangerschakelingen tot uitgangstrappen voor zenders.
Kenmerken:
- Schakeltransistoren" zijn speciaal ontworpen voor elektronische schakeltoepassingen. Deze worden vooral gekenmerkt door een lage collector-emitterspanning in de ingeschakelde toestand.
- Halfgeleidercomponenten specifiek voor vermogenselektronica zijn thyristors en triacs. Zij werken als snelschakelaars en vereisen stuurcircuits waarmee zij kunnen worden "afgevuurd" en ook weer uitgeschakeld.
- Ook bij de veldeffecttransistoren zijn er verschillende ontwerpen, gaande van types met een laag vermogen tot FET's met hoog vermogen. Deze worden vooral gebruikt in vermogenselektronica, AF-versterkers en meettechniek.
In het geval van diodes zijn er speciale versies naast de standaardtypes die voor gelijkrichters zijn ontworpen:
- Schottky-dioden hebben een halfgeleider-metaalverbinding als barrièrelaag, die een lagere fluxspanning heeft dan silicium-dioden. Zij zijn geschikt voor gelijkrichters met laag verlies en gevoelige detectoren.
- Z-dioden zijn siliciumdioden die in omgekeerde richting werken en waarvan de doorslagspanning op een bepaalde waarde ligt. Ze worden gebruikt voor spanningsstabilisatie.
- Capacitieve diodes werken ook in omgekeerde richting. Er wordt gebruik gemaakt van het effect dat de junctiecapaciteit afneemt met toenemende spanning. Hierdoor kunnen hoogfrequente oscillerende circuits elektronisch worden afgestemd.
- Surpressordiodes worden geleidend in beide richtingen wanneer een drempelwaarde wordt overschreden. Ze worden gebruikt om elektronische circuits tegen overspanning te beschermen.
De halfgeleiderchips zijn ingebouwd in behuizingen. Ontwerp en grootte zijn afhankelijk van het vermogen dat in het onderdeel wordt omgezet. Diodes worden geleverd in glazen of plastic behuizingen (Fig. 4). Terwijl transistors vroeger in metalen behuizingen werden gemonteerd (Fig. 5 en 6), overheerst plastic als behuizingsmateriaal. Oppervlakte-mount transistors (Fig. 7 ) zijn slechts enkele millimeters groot. Tegenwoordig worden de meeste transistors met laag vermogen geleverd in kunststof behuizingen (fig. 8). Vermogenstransistors in kunststof behuizingen (Fig. 9) hebben aan de achterzijde een metalen oppervlak, waarop de halfgeleiderchip is gemonteerd. Hierdoor kan het warmteverlies dat daar ontstaat, optimaal worden afgevoerd.
Glazen behuizing
Metalen behuizing
Metalen behuizing
De materiaalstructuren waarvan halfgeleidercomponenten zijn gemaakt, reageren gevoelig op te hoge temperaturen. Daarom moet het soldeerproces zo snel mogelijk worden uitgevoerd, zodat de aansluitdraden niet te veel warmte naar het inwendige van de onderdelen geleiden.
De structuren binnenin de halfgeleiders zijn zeer klein. Daarom kunnen zij zelfs bij betrekkelijk lage spanningen defect raken. Vooral MOS-types zijn in dit opzicht zeer gevoelig. De werkplek moet daarom ESD-veilig zijn.
Tijdens de werking mogen de grenswaarden voor stroom, spanning en vermogen die in de gegevensbladen zijn vermeld, in geen geval worden overschreden. Vermogenshalfgeleiders moeten worden voorzien van voldoende grote koeloppervlakken om te garanderen dat de interne junctietemperatuur niet wordt overschreden, zelfs niet bij de maximale omgevingstemperatuur. In de meeste gevallen wordt een isolerende ring geplaatst tussen het onderdeel en het koeloppervlak. Warmtegeleidende pasta verbetert de thermische geleidbaarheid.