How Does a Transistor Work? - YouTube

In telefoons zitten bijna 100 miljoen transistoren, in computers meer dan een miljard.

De transistor zit in praktisch ieder elektrisch apparaat dat we gebruiken, TV's, radio's,

Tamagotchi's.

Maar hoe werken ze eigenlijk?

Het basisprincipe is vrij simpel. Ze werken als een schakelaar.

Ze bepalen de elektrische stroom.

De schakelaar kan uit staan, de 0 (nul) staat, of aan staan, de 1 (een) staat.

Dit is hoe alle informatie in computers opgeslagen en verwerkt wordt: In enen en nullen, -

- kleine elektrische stroompjes. Maar in tegenstelling tot een schakelaar heeft een transistor geen -

- bewegende onderdelen. En hij heeft ook geen mens nodig om aan te sturen. Daarnaast kan hij -

- ook veel sneller schakelen dan ik dat kan met deze schakelaar. En als laatste en -

- belangrijkste zijn ze heel erg klein. Dit alles hebben we te danken aan de magie van 'halfgeleiders'.

Of eigenlijk moet ik zeggen 'wetenschap' van halfgeleiders.

Puur silicium is een halfgeleider, wat betekend dat het beter geleidt dan isolatoren,

maar niet zo goed als metalen. Dit is omdat een siliciumatoom vier -

- elektronen zijn buitenste-/of 'valentie'-band heeft. Hierdoor kan hij verbindingen vormen met -

- vier nabijgelegen buuratomen.

Hallo daar! Goed'n dag!

Wasaaaap!

Het vormt dus een vierzijdig kristal.

Maar omdat al deze elektronen vast zitten in bindingen, hebben maar weinig genoeg energie om te ontsnappen -

- aan hun bindingen en door het rooster te bewegen. Het kleine aantal mobiele 'ladingsdragers' maakt -

- silicium een 'half'-geleider.

Dit is natuurlijk niet nuttig zonder het geheime wapen van halfgeleiders: 'doping'.

Je hebt waarschijnlijk wel gehoord van doping: Vreemde substanties injecteren -

- om prestaties te verbeteren.

Het is eigenlijk precies zoals dat, maar dan op het atoomniveau.

Er zijn twee soorten doping: n-type en p-type. Om een n-type halfgeleider te maken

moet je puur silicium injecteren met een beetje van een element met 5 valentiebandelektronen,

zoals fosfor.

Dit is handig omdat fosfor genoeg op silicium lijkt dat het in het rooster past,

maar dan met een extra elektron. Hierdoor heeft de halfgeleider nu meer

mobiele ladingsdragers en geleid het meer stroom.

In p-type doping wordt een element met 3 valantiebandelektronen toegevoegd.

Zoals boor. Dit creeert 'gaten', een plek waar eigenlijk een elektron hoort maar er niet is

Dit vergroot nog steeds de geleiding van -

- halfgeleider omdat elektronen in de gaten kunnen verplaatsen.

Ondanks dat de elektronen verplaatsen, zeggen we liever dat de gaten bewegen -

- omdat er daar veel minder van zijn. Omdat een gat een gebrek is aan een elektron, -

- gedraagt het zich als een positieve lading. En dit is waarom een p-type halfgeleider -

- p-type heet. De 'p' staat voor positief. Het zijn de positieve ladingen, gaten, die bewegen -

- en de stroom geleiden.

Het is een bekende missopvatting dat n-type halfgeleiders negatief geladen zijn en -

p-type halfgeleiders positief geladen zijn. Ze zijn beide neutraal omdat -

- ze hetzelfde aantal elektronen en protonen in zich hebben.

De n en p staat eigenlijk voor het type lading dat vrij kan bewegen.

Dus in n-type zijn het de negatieve elektronen die bewegen en in p-type -

- de positieve gaten die bewegen. Maar ze zijn beide neutraal!

Een transistor is gemaakt met zowel n-type als p-type halfgeleiders. Een veelvoorkomende configuratie -

- eeft 'n' aan weerszijden en 'p' in het midden. Net zoals een schakelaar heeft een transistor een elektrisch-

-contact aan weerszijden, deze heten de 'source' en 'drain'. Maar in plaats van een mechanische-

- schakelaar, is er een derde contact die de 'gate' heet welke geisoleert is van de -

- halfgeleider met een oxidelaag.

Als een transistor gemaakt wordt blijven de ladingen niet op hun plaats, elektronen -

- verspreiden zich van het n-type, waar er meer van zijn, in het p-type materiaal om -

- de gaten te vullen.

Dit creëert een zogeheten 'depletielaag'. Hier zijn de mobiele ladingsdragers uitgeput.

Er zijn geen vrije elektronen meer in het n-type materiaal maar waarom?

Omdat ze de gaten hebben gevuld in het p-type materiaal.

Dit maakt het p-type negatief geladen dankzij de extra elektronen. Dit is belangrijk omdat -

- het p-type materiaal alle elektronen uit het n-type materiaal tegenhouden.

De depletielaag dient dus als een barrière die de stroom door de de transistor tegenhoudt.

Nu staat de transistor dus uit, zoals een open schakelaar staat hij in zijn -

- 0-staat.

Om hem aan te zetten, moet je slechts een kleine spanning op de 'gate' zetten. Deze trekt elektronen aan -

- verminderd de afstootwerking van de depletielaag. De depletielaag wordt dunner -

- zodat de elektronen er door kunnen en een geleidend pad kunnen vormen.

De transistor staat nu aan, de 1-staat.

Dit is merkwaardig omdat je alleen met behulp van kristaleigenschappen een schakelaar -

- kan maken zonder bewegende onderdelen die heel snel aan- en uitgezet kan worden, -

- alleen met een spanning. En daarnaast kunnen ze ook nog heel klein gemaakt worden.

Transistors zijn tegenwoordig slechts 22 nanometer breed. Dat zijn slechts 50 atomen.

Om 'Moore's law' bij te kunnen houden moeten ze nog veel kleiner worden. Moore's law zegt dat -

- elke twee jaar het aantal transistoren op een chip moet verdubbelen.

Daar zit een limiet aan. Als de contacten dichter bij elkaar komen gaan kwantumeffecten -

- een steeds grotere rol spelen en kunnen elektronen daadwerkelijk 'tunnelen' van de ene naar de andere kant.

Het is wellicht niet mogelijk om een barrière hoog genoeg te maken om dit te voorkomen.

Dit is een groot probleem voor toekomstige transistoren maar waarschijnlijk is dat pas -

- 10 jaar later. Tot dan kunnen de transistoren, zoals wij die kennen -

- steeds beter worden.

[Op het moment dat je bijvoorbeeld, driehonderd 'qubits' hebt, dan heb je eigenlijk twee tot de macht-

-driehonderd klassieke bits. Wat gelijk staat aan het aantal atomen in -

- het universum.]