Transistorit – elektroniikan pikkujättiläiset

PIENOISKOKOISET radiot, televisiovastaanottimet ja kuulokojeet ovat olemassaolostaan paljolti kiitollisuuden velassa noille transistoreiksi nimitetyille elektroniikan pikkujättiläisille. Mitä näiden elektroniikan ihmeiden taakse oikein kätkeytyy? Sellaista, millä on paljon tekemistä kvanttimekaniikaksi nimitetyn fysiikan haaran kanssa, joka käsittelee sellaisia sangen pieniä kohteita kuin atomeja ja elektroneja.

Mitä transistorit oikein tekevät? Mitkä ovat niiden hyviä puolia? Miten ne on tehty?

Pohjimmaltaan transistori suorittaa samoja tehtäviä kuin elektroniputki eli radioputki. Monet sen sovellutukset keskittyvät sen toimintaan vahvistimena, ts. transistori vahvistaa esimerkiksi radio- ja televisiovastaanottimien antennien keräämät signaalit.

Tämän vahvistinlaitteen voidaan ajatella ottavan toisesta päästään sisään vähäisen sähkösignaalin, kopioivan sen ja johtavan sen toisesta päästä ulos paljon voimakkaampana. Vahvistimena käytetty transistori ottaa sisäänsä sähkövirran muodossa olevan sähkökuvion ja lähettää ulos saman kuvion kenties 20 kertaa syöttövirtaa voimakkaampana.

Etuja

Jos transistorit tekevät pohjimmaltaan saman kuin elektroniputki, niin miksi nähdä vaivaa niiden vuoksi, saattaisi joku haluta tietää. Siksi että transistorilla on etuja esi-isäänsä elektroniputkeen verrattuna.

Ensimmäinen etu on transistorin pieni koko. Sen koko on noin sadasosa samantehoisen elektroniputken koosta, ts. kun elektroniputki on miehen peukalon kokoinen, niin transistori on suunnilleen herneen kokoinen. Transistorien ansiosta kaikenlaiset elektroniset laitteet voidaan tehdä hyvin pienikokoisiksi.

Näiden elektroniikan pikkujättiläisten toinen etu on, että ne voivat toimia paljon vähäisemmällä virralla kuin elektroniputket. Näin on, koska transistoreissa ei ole hehkulankaa eli kuumenninta. Jotta elektroniputki toimisi, siinä täytyy olla hehkulangaksi nimitetty kuumennin (ikään kuin hyvin pieni sähköinen poltin) elektronien ”höyrystämiseksi” putken katodilta eli elektroneja lähettävästä osasta. Transistori ei tarvitse sellaista kuumenninta. Koska transistori ei kehitä juuri lainkaan lämpöä, se ei tule kuumaksi. Elektroniputki kuluttaa aina kuumentuessaan energiaa.

Muihin etuihin kuuluu mm. se, että transistori, joka ei elektroniputkien tavoin tarvitse lämpenemisaikaa, alkaa toimia heti. Transistori on myös kestävämpi, koska siihen ei ole ripustettu mitään ohuita lankoja niin kuin elektroniputkeen. Transistori on siis luotettavampi. Jotkut ovat arvioineet, että vuorokauden ympäri vuoden jokaisena päivänä toimiva transistori kestäisi 8–10 vuotta. On todella vähän syitä, joiden vuoksi nämä elektroniikan pikkujättiläiset kuluisivat loppuun, mutta kolahduksilla, lämpötilan muutoksilla ja kosteudella on niihin kuitenkin haitallinen vaikutus.

Transistorien monet hyvät ominaisuudet ovat tehneet mahdolliseksi mm. tietoliikennesatelliitin. Heinäkuun 3. päivänä 1962 Telstar-tietoliikennesatelliittia käytettiin välittämään liikkuva televisiokuva Yhdysvalloista Eurooppaan. Telstar vastaanotti Yhdysvalloissa olevalta maa-asemalta lähetetyt signaalit, vahvisti ne ja lähetti ne sitten edelleen, niin että ne voitiin vastaanottaa toisella kaukaisella maa-asemalla. Koska transistorit toimivat hyvin vähäisellä virralla, voimanlähteenä voitiin käyttää auringon valon avulla latautuvia paristoja. Telstar-satelliitissa oli yksi elektroniputki, 1064 transistoria ja muuta puolijohdekomponenttia. Telstarin jälkeen radalleen singotut tietoliikennesatelliitit ovat kaikki käyttäneet transistoreja. Mutta mistä transistorit valmistetaan?

Puolijohdemateriaalit

Aineita, jotka johtavat sähköä sangen helposti, nimitetään johteiksi. Esimerkiksi hopea, alumiini ja kupari ovat johteita. Miksi jokin aine on hyvä johde? Siksi, että aineessa on suuri määrä vapaita elektroneja. Mitä sitten tarkoitetaan ”vapailla” elektroneilla? Elektronit ovat näissä aineissa siten vapaita, että ne voivat helposti siirtyä johteen sisältämästä atomista toiseen.

Vastakohtana aineille, jotka ovat hyviä aineita nimitetään eristeiksi. Näissä aineissa ei ole yhtään vapaita elektroneja. Sen vuoksi sähkö ei virtaa helposti niiden läpi. Sellaisia aineita käytetään ymmärrettävästi talouskojeissa suojaksi sähköiskuilta. Niinpä on valmistettu kumipäällysteisiä sähköpistokkeita ja muovisia valokytkimiä.

On vielä olemassa kolmas aineryhmä – puolijohteina tunnettu jähmeiden aineiden laji. Tämän ryhmän aineet eivät johda sähköä oikein hyvin eivätkä ne ole hyviä eristeitäkään. Siksi sellaisia aineita nimitetään puolijohteiksi. Germanium (saksalaisen kemistin keksimä ja Saksan [Germany] mukaan nimensä saanut alkuaine) ja pii ovat laajimmin tunnetut puolijohteet.

Miksi sitten aineiden kolmas ryhmä ei ole sopiva johteiksi eikä eristeiksi? Syy siihen, että ne ovat vain puolittain hyviä johteita, on niistä puuttuvat vapaat elektronit. Eivätkä ne ole hyviä eristeitäkään, koska vapaiden elektronien tuottamiseen ei tarvita paljon energiaa. Vapaiden elektronien lukumäärä kasvaa niissä noin miljoonakertaiseksi, kun lämpötilaa kohotetaan –20 asteesta +180 asteeseen.

Transistorien alku on puhdas kidemuotoinen puolijohde, ja koska tämä aine on kiinteässä olomuodossa vastakohtana nestemäisille tai kaasumaisille olomuodoille, transistoreita on sanottu kiinteän olomuodon komponenteiksi.

Epäpuhtauksien lisääminen tarpeen

On varsin kummallista, että puolijohdetta ei voida puhtaassa tilassaan saada toimimaan tehokkaasti, mutta kun siihen lisätään oikea määrä epäpuhtauksia, se voidaan todellakin saada toimimaan erittäin tehokkaasti.

Mutta miksi epäpuhtauksien lisääminen on tarpeen? Koska vähäinen määrä tiettyjä epäpuhtauksia tuottaa muutamia vapaita elektroneja tai elektronivajauksen. Jotkin epäpuhtaudet eivät siis tuota vapaita elektroneja vaan pikemminkin poistavat elektroneja muutamista puolijohteen atomeista. Tulos? Elektronin puuttuminen atomista. Tätä nimitetään aukoksi. ”Aukon” etuna on, että se voi siirtyä atomista toiseen. Näiden atomista toiseen siirtyvien ”aukkojen” virta muodostaa sähkövirran. ”Aukosta” tulee negatiivisesti varautuneelle elektronille vastakohtaisen positiivisen sähkövarauksen kuljettaja.

Puolijohdetta, jossa on vapaita elektroneja, nimitetään n-tyyppiseksi (negatiivisen varauksen vuoksi). Kun aineessa on ”aukkoja” eli elektronien vajausta, sitä nimitetään p-tyyppiseksi (positiivisen varauksen vuoksi).

Havainnollistakaamme asiaa: jos erittäin puhtaaseen sulaan piihin tai germaniumiin liuotetaan arseenia, siihen saadaan runsaasti elektroneja, joita voidaan pitää lähes vapaina elektroneina. Tulos on n-tyyppinen aine, koska arseeniatomin uloimmalla elektronikehällä on viisi elektronia atomia kohti, kun taas germaniumissa on vain neljä, joten elektroneja on runsaasti. Nämä elektronit ovat hyvin helposti herätettävissä vapaiksi elektroneiksi.

Entä jos booria tai alumiinia lisätään puolijohteeseen? Näissä kahdessa alkuaineessa on ulkokehällä vain kolme elektronia. Germaniumiin verrattuna siinä on siis elektronivajaus, joten syntyy ”aukko”. Tuloksena on p-tyypin aine.

Kerrosmainen rakenne

Transistorin muodostaa kahden n-tyyppisen aineen väliin asetettu kerros p-tyypin ainetta. Tätä nimitetään npn-transistoriksi. Tai transistorin voi muodostaa kerros n-tyyppistä ainetta kahden p-tyyppisen välissä. Sitä nimitetään pnp-transistoriksi.

Vahvistuminen tapahtuu juuri näiden kahden aineen rajapinnoissa. Niitä voidaan pitää venttiileinä, jotka joko päästävät tai eivät päästä virtaa läpi vapaasti sen mukaan, miten sähköinen potentiaali eli jännite on jakautunut näille kahdelle rajapinnalle.

Pienentäminen mikrokokoon

Vaikka transistori on kooltaan pieni ja kuluttaa elektroniputkeen verrattuna vähän tehoa, uusimmissa kehitetyissä laitteissa on pienikokoisempia elektronisia kytkentöjä kuin olisi mahdollista tehdä transistoreidenkaan avulla. Näitä nimitetään integroiduiksi piireiksi tai mikropiireiksi.

Tämän uuden kehityksen mukaan sekä transistorit että muut kytkennän osat yhdistetään toisiinsa kerrossarjaksi. Nämä pienet pakkaukset ovat pikemminkin kokonaisia piirejä kuin vain piirin yksi osa (esim. transistori). Integroidut piirit tekevät mahdolliseksi mikrokokoon pienentämisen.

Tieteellinen vuosikirja Science Year (1968) sanoo: ”Nykypäivien mikropiirien pinta-ala mitataan neliöissä, joiden sivu on kymmenesosa tuumaa [2,5 mm], ja niiden paksuuden mittana on tuuman tuhannesosa [0,025 mm]. Transistorien tavoin ne eivät tuhlaa juuri lainkaan sähkötehoa lämpönä ja tarvitsevat näin ollen suhteellisen vähän jäähdytystä. . . . Kokonaisuudessaan mikropiireistä valmistettu televisiovastaanotin sopisi kuvaputkea ja kaiutinta lukuun ottamatta pieneen tulitikkulaatikkoon.”

Valaistaksemme kokonaisten piirien ja piirin yksityisten osien välistä eroa ajatelkaamme kahden litran maitotölkin suuruista laatikkoa. Tuohon laatikkoon voitaisiin sijoittaa piiri, joka sisältää kenties 100 tavanomaista osaa. Mutta kuinka monta osaa voitaisiin sijoittaa samaan tilaan integroitujen piirien avulla? Noin miljardi.

Uudet kehitysvaiheet ovat näin ollen totisesti hämmästyttäviä. Ihmisen edistys koon pienentämisen taidossa on todella paljolti kiitollisuuden velassa transistoreille, noille elektroniikan pikkujättiläisille. Mikrokokoon pienentämisen taito ei kuitenkaan itsessään ole uutta. Ihmisen Luoja teki ihmisaivot pienentämismenetelmää käyttäen. Hän suunnitteli ne siten, että aivotilaan mahtuu noin 100 miljardia osaa.