1.7 Halvlederkomponenter

Materialet som forandret verden

Noen materialer leder strøm godt, som kobber. Andre leder nesten ikke, som plast. Men midt imellom finnes en gruppe materialer som er litt av begge deler – og det er nettopp denne mellomtingen som har gjort den moderne verden mulig. Vi kaller dem halvledere, og det desidert mest brukte er silisium, et stoff vi finner i vanlig sand.

Det geniale med en halvleder er at vi kan styre den. Ved å tilsette ørsmå mengder av andre grunnstoffer kan vi bestemme nøyaktig hvordan den leder strøm. Denne kontrollen er grunnlaget for tre komponenter som dukker opp overalt: dioden som slipper strøm én vei, LED-en som lyser, og transistoren – den lille bryteren som det sitter milliarder av inni mobilen din.

I dette kapittelet skal vi forstå hvor denne magien kommer fra. Vi skal se hva doping er, hvordan en PN-overgang oppstår og gir oss dioden, hvorfor en LED lyser og trenger en motstand for å overleve, og til slutt hvordan transistoren kan fungere både som en bryter og en forsterker.

Doping og dioden

Rent silisium leder strøm ganske dårlig. Trikset er doping: vi tilsetter små mengder fremmede atomer for å endre egenskapene. Tilsetter vi fosfor eller arsen, får vi N-type silisium med et overskudd av frie elektroner – negative ladningsbærere. Tilsetter vi i stedet bor eller gallium, får vi P-type med et underskudd, det vil si «hull» som oppfører seg som positive ladningsbærere.

Det virkelig interessante skjer når vi setter en N-type og en P-type sammen. I grenseflaten oppstår en PN-overgang, og denne overgangen er hjertet i en diode. En diode slipper nemlig strøm gjennom i bare én retning. Når anoden (pluss-siden) er mer positiv enn katoden, sier vi at dioden er i foroverretning – da flyter strømmen, men med et lite spenningsfall på cirka 0,7 V for en silisiumdiode. Snur du polariteten, kommer dioden i sperreretning, og da går det praktisk talt ingen strøm.

La oss regne litt. En silisiumdiode står i serie med en motstand på 470 $\Omega$, koblet til 5 V. Siden dioden «spiser» 0,7 V, ligger resten over motstanden: $U_R = 5 - 0{,}7 = 4{,}3$ V. Strømmen blir da $I = U_R/R = 4{,}3/470 \approx 9{,}1$ mA. Inni overgangen smalner et område kalt deplesjonslaget når dioden leder, og utvider seg når den sperrer – det er denne mekanismen som gir enveiskjøringen. Derfor brukes dioder til å likerette vekselstrøm og til å beskytte kretser mot at noen kobler batteriet feil vei.

LED-en som lyser – og hvorfor den trenger en livvakt

Noen dioder gjør mer enn å slippe strøm én vei: de lyser. En LED (Light Emitting Diode) avgir lys når strømmen passerer i foroverretning. Fargen bestemmer spenningsfallet over LED-en: en rød LED har rundt 1,8 V, en grønn cirka 2,2 V, og en blå eller hvit hele 3,2 V. Den vil typisk ha 10–20 mA strøm gjennom seg.

Men her er en livsviktig regel: en LED må alltid ha en motstand i serie. Uten den ville strømmen blitt ukontrollert stor, og LED-en ville brent opp på et øyeblikk. Motstanden fungerer som en livvakt som «spiser opp» den overflødige spenningen. Til gjengjeld er LED-er fantastisk effektive sammenlignet med gamle glødelamper, og de holder i 50 000 til 100 000 timer.

La oss regne ut den nødvendige motstanden. Du vil koble en rød LED, med spenningsfall 1,8 V og ønsket strøm 15 mA, til et 9 V-batteri. Spenningen over motstanden blir $U_R = 9 - 1{,}8 = 7{,}2$ V, og motstanden $R = 7{,}2/0{,}015 = 480\,\Omega$. Nærmeste standardverdi er 470 $\Omega$, som gir cirka 15,3 mA – helt akseptabelt.

Prinsippet er alltid det samme: trekk LED-ens spenningsfall fra kildespenningen, og del på ønsket strøm. Tar vi en blå LED (3,2 V, 20 mA) på en 5 V-kilde, blir $U_R = 5 - 3{,}2 = 1{,}8$ V og $R = 1{,}8/0{,}02 = 90\,\Omega$ – vi runder til 100 $\Omega$.

Transistoren – bryter og forsterker i én

Nå kommer komponenten som virkelig forandret elektronikken: transistoren. Den kan gjøre to ting – forsterke et svakt signal, eller fungere som en elektronisk bryter som slår av og på uten bevegelige deler. Det finnes to hovedtyper.

Den bipolare transistoren (BJT) har tre ben: base (B), kollektor (C) og emitter (E). En NPN-transistor slås på når basen får positiv spenning. Det fine er at en liten basestrøm kan styre en mye større kollektorstrøm. Forholdet kalles strømforsterkningen $\beta$ (beta), og er $\beta = I_C / I_B$, ofte mellom 100 og 300. En basestrøm på en brøkdel av en milliampere kan altså styre titalls milliampere.

La oss bruke en transistor som bryter for en LED. Vi har en NPN med $\beta = 200$ som skal styre en LED på 20 mA, drevet fra en 5 V logikkutgang. Basestrømmen vi trenger er $I_B = I_C/\beta = 20\,\text{mA}/200 = 0{,}1$ mA. For å være sikre på at transistoren slås helt på (går i metning), bruker vi gjerne to-tre ganger så mye, si 0,3 mA. Basemotstanden blir da $R_B = (5 - 0{,}7)/0{,}0003 = 4{,}3/0{,}0003 \approx 14{,}3\,\text{k}\Omega$. Velger vi standardverdien 10 k$\Omega$, får vi rikelig basestrøm og god metning.

Den andre typen er MOSFET-en, en felteffekttransistor med benene gate (G), drain (D) og source (S). Den styres av spenning på gaten i stedet for strøm, og bruker derfor nesten ingen styreenergi i stabil tilstand. MOSFET-er har lav motstand når de er på og svitsjer raskt, og er den dominerende typen i moderne kretser – men de er ømfintlige for statisk elektrisitet. Det er nettopp denne bryterfunksjonen som gjør datamaskiner mulige: en moderne prosessor pakker milliarder av transistorer på en brikke på størrelse med en fingernegl, der hver av dem representerer et 0 eller et 1.

Oppsummering

Vi har fulgt veien fra et stykke silisium til den digitale tidsalderen. Halvledere ligger mellom ledere og isolatorer, og ved doping kan vi lage N-type med ekstra elektroner og P-type med hull. Møter de hverandre, oppstår en PN-overgang – kjernen i en diode, som slipper strøm én vei med et spenningsfall på cirka 0,7 V for silisium.

En LED er en diode som lyser, med fargebestemt spenningsfall, og den trenger alltid en seriemotstand for å overleve. Til slutt møtte vi transistoren, som både forsterker og bryter: den strømstyrte BJT-en med base, kollektor og emitter og forsterkningen $\beta = I_C/I_B$, og den spenningsstyrte MOSFET-en som dominerer moderne kretser. Det er denne lille bryteren, pakket i milliarder, som gjør alt fra mobiler til datamaskiner mulig.