Litt om elektronikk The only thing I regret about the transistor is its use in rock and roll. W. Brattain (en av oppfinnerne) Ellen K. Henriksen Skolelaboratoriet, Fysisk institutt, UiO

Elektronikk i læreplanen Etter 10. årstrinn Fenomener og stoffer forklare resultater fra forsøk med strømkretser ved bruk av begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon Teknologi og design ut fra kravspesifikasjoner utvikle produkter som gjør bruk av elektronikk, evaluere designprosessen og vurdere produktenes funksjonalitet og brukervennlighet

Transistoren – starten på IT-revolusjonen Transistoren ble oppfunnet i 1947 av tre amerikanere, Shockley, Bardeen og Brattain. Disse fikk nobelprisen i Dette ble starten på den IT-revolusjonen vi har vært vitne til. Få oppfinnelser har formet vår hverdag i større grad de siste 50 årene. Vi skal se på transistoren og et par andre elektroniske komponenter, og vi begynner med å se litt på halvledere.

Halvledere Halvledere er en mellomting mellom elektriske ledere og isolatorer. De leder strøm ”middels godt”. Halvledere finnes i så godt som alt elektronisk utstyr – alt som er datastyrt eller bruker radiobølger, er basert på halvledere. Transistoren er kanskje den viktigste komponenten som er konstruert med halvledere. En silisium-chip, en lysdiode og en transistor – alle inneholder halvledere. Typiske halvledere er germanium, silisium m.fl. Vann har også ledningsevne som en halvleder. I dag er det silisium som brukes mest.

Hva karakteriserer en halvleder? Metaller som sølv og kobber er gode elektriske ledere fordi de har frie elektroner som lett kan bevege seg mellom atomene. I en silisiumkrystall er alle atomene bundet til naboene med kovalente bindinger, og ingen elektroner er frie til å lede elektrisk strøm. En halvleder som silisium har ikke frie elektroner – alle elektronene inngår i sterke, kjemiske bindinger (kovalente bindinger), og de kan derfor ikke bevege seg fritt rundt. En ren silisiumkrystall er nesten en isolator.

Silisium - det nest vanligste grunnstoffet på jorda (etter oksygen). Mineralet kvarts består av silisium og oksygen, og sand består for det meste av kvarts. Silisium finnes ikke i ren form i jordskorpa; det må utvinnes fra sand (SiO 2 ). Silisiumkrystaller groes i laboratoriet. Rent silisium - grunnlaget for datateknologien.

Doping av halvledere Man kan gjøre silisium og andre halvledere elektrisk ledende ved å blande små urenheter av et annet grunnstoff inn i krystallstrukturen. Dette kalles å dope halvlederen.

n-doping av silisium: Noen atomer av fosfor eller arsen settes inn i silisium-krystallen. Disse har 5 ytre elektroner, mens silisium har 4. På denne måten blir det “ekstra” elektroner i krystallen, og disse øker ledningsevnen. N står for negativ.

p-doping av silisium: Noen atomer av bor eller gallium settes inn i krystallen. Disse har bare 3 ytre elektroner, mens silisium har 4. Det blir dermed et “hull” i elektronstrukturen som i praksis tilsvarer en ekstra positiv ladning. “Hullene” kan vandre fra atom til atom og gjør dermed krystallen elektrisk ledende. P står for positiv.

Dioden En diode er den enkleste formen for halvlederteknologi. Den består av en silisiumkrystall med en p-dopet side og en n- dopet side.

Når vi plasserer en p- dopet krystall i kontakt med en n-dopet, får vi et grensesjikt der elektroner fra n-siden ”fyller” huller på p-siden. På p-siden av grense- sjiktet er det nå en negativ ladning pga. elektronene som har strømmet inn. På n-siden er det en positiv ladning pga. elektronene som fløt over til p-siden. Vi får en spenning (”barrierespenningen”) over grensesjiktet i pn-overgangen, og denne hindrer strøm over overgangen.

I kretsen til venstre er en halvleder-diode koblet til et batteri, men det går ikke strøm. Elektronene på n-siden blir tiltrukket til den positive polen på batteriet, mens hullene på p-siden blir trukket mot den negative polen. Det blir ingen strøm i overgangen mellom p-siden og n-siden, fordi elektronene og hullene beveger seg i feil retning.

Hvis vi snur batteriet slik at den negative polen er koblet til N-siden og den positive til p-siden, vil batterispenningen tvinge elektroner over overgangen, og det går strøm i kretsen. Strømmen krysser overgangen mellom p- og n-området.

Dioden slipper altså strøm igjennom den ene veien, men blokkerer strømmen den andre veien. Dioden er en énveis strømport– omtrent som “inngangsporten” for kunder i supermarkedet. Strømmen går gjennom dioden. Positiv strømretning er fra + til - (fra p-siden til n-siden). Kobles dioden motsatt vei, går det IKKE strøm.

Lysdioder En lysdiode sender ut lys når man sender en strøm inn på den. Ved å sende strøm inn på dioden, tilfører vi den energi. Noe av energien kan sendes ut igjen i form av fotoner (lys). Lysdioder brukes for eksempel i indikatorlamper, bremselys på biler, lysende skilt, fjernkontroller og innen fiberoptisk telekommunikasjon.

Transistoren I en transistor er det 3 lag med halvlederkrystall mot diodens 2 lag. Dioden kan være av npn-type eller av pnp-type. Transistoren har to hovedfunksjoner: Den kan virke som en bryter og som en forsterker. Hvis man sender en liten strøm inn i midtsjiktet, kan en mye større strøm gå gjennom transistoren i sin helhet. En liten strøm “slår på” en mye større strøm.

Transistoren ble oppfunnet i 1947 (til venstre). Denne brukte germanium som halvleder. Den første silisiumtransistoren kom i Silisium kunne gi større effekt og ble ikke så fort varmt, og det ble mulig å lage mye mindre transistorer.

npn-transistoren Transistoren har tre lag (n, p og n) – disse er koblet til hvert sitt bein på transistoren. Midtlaget (her p) kalles basen, de to andre emitter og kollektor. Basen kan sammenlignes med en vannkran, emitteren med tilførselsledningen og kollektoren med åpningen/ springen. Ved å kontrollere kranen med en liten kraft (sende inn en liten strøm på basen), kan man kontrollere en sterk vannstrøm ut av røret (en sterk strøm mellom emitter og kollektor).

Fra Laila Løset, Electronics/elnikk.pdf Nok en framstilling av hvordan transistoren virker….

Spenningen mellom emitter og kollektor er konstant og ganske høy, mens spenningen mellom emitter og base er lav og variabel- den utgjør signalet inn til transistoren. Når det ikke er noen basespenning, er resistansen mellom emitter og kollektor høy, og det går ikke strøm. En liten spenning mellom base og emitter gjør resistansen mindre slik at det går en sterk strøm mellom emitter og kollektor.

Transistorradio - transistoren virker som en forsterker og gjør de svake elektriske signalene fra antennen om til sterkere signaler, som omformes til lyd i høyttaleren.

Datamaskin - transistoren virker som en bryter som slår små strømmer av og på (det er dette som er “nullene” og “enerne”).

I dag kan både transistorer, dioder, motstander og kondensatorer framstilles av én og samme silisiumbit. Da får man en integrert krets (en mikrochip). Slike kretser er basis for det meste av moderne elektronikk, fra datamaskiner og stereoanlegg til vaskemaskiner, mikrobølgeovner og bilmotorer. En integrert krets kan inneholde flere millioner transistorer, hver av dem bare noen tusendels millimeter bred. I en datamaskin er det mange slike “chips” med til sammen millionvis av transistorer.

Den enkle fuktighetsmåleren/løgndetektoren” som vi lager på kurset, samt beskrivelser av et par LITT mer avanserte varianter, finnes her:

BUskoler/Praktisk/Elektronikk.pdf publikasjoner.htm Noen andre ressurser for elektronikkprosjekter