De transistor, spanning en stroom

De transistor is de belangrijkste bouwsteen in halfgeleider-circuits. Ze zijn er in twee smaken: de bipolaire transistor en de veldeffect transistor, de FET (of MOSFET). De belangrijkste familie veldeffect transistoren is de CMOS technologie. Chips en ic's zitten tegenwoordig vooral vol met CMOS. Dit artikel behandelt het verband tussen spanning en stroom in een CMOS transistor.

CMOS transistor

De eerste transistoren waren van het type bipolair, en werden gebruikt om signalen te versterken. Deze transistoren hebben drie aansluitingen (met een eigen functie en naam): de basis, de emitter, en de collector. Wanneer we een signaal aanbieden op de basis en emitter, dan kan de transistor dit signaal met een veel grotere amplitude geleiden tussen collector en emitter. Op deze manier kan een signaal worden versterkt. Deze spanningsversterking, of stroomregeling, gaat gepaard met een kleine basis-stroom (die van basis naar emitter loopt).

Bij een veldeffect transistor (FET) heten de drie aansluitpunten gate, drain, en source. Wanneer een signaal wordt aangeboden aan de gate-source overgang, zal er geleiding optreden tussen de drain en source. Het kenmerkende voor een FET is dat de geleiding tot stand komt door een elektrisch veld; dit betekent dat wanneer de source en drain in geleiding zijn, er geen stroom aan de gate nodig is. Dit maakt de FET vermogens- en dus energiezuinig.

Een PMOS transistor komt in geleiding wanneer de gate-source spanning negatief is; een NMOS transistor geleidt wanneer de gate-source spanning positief is. Digitale schakelingen zijn vaak opgebouwd uit zowel NMOS als PMOS transistoren, hetgeen ook wel CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) wordt genoemd.

Spanning en stroom karakteristiek

CMOS transistoren worden veel gebruikt in digitale of logische circuits. De eigenschappen van PMOS en NMOS maakt ze geschikt om te fungeren als kleine elektronische schakelaartjes. Door een hoog signaalniveau op te vatten als het getal '1' en een laag niveau als een '0', kan men rekenkundige operaties uitvoeren op binaire getallen en getal-reeksen.

Hoewel dit eenvoudig klinkt, zijn spanning en stroom in de fysieke werkelijkheid nooit '0' of '1', maar gedragen ze zich analoog. De stroom en spanning nemen altijd een waarde aan binnen een continüum van getallen. In de karakteristiek hiernaast zien we het verband tussen stroom en spanning in een NMOS transistor. De NMOS opereert in drie gebieden: cut-off, linear, en saturation.

Een NMOS is cut-off als gate-source spanning lager is dan een drempelwaarde (Vt). Er loopt dan geen stroom. Wanneer de gate-source spanning hoger wordt (en de drain-source spanning lager is dan Vdsat) komt de transistor in het lineaire gebied. De NMOS gedraagt zich hier als weerstand, de stroom Ids is evenredig met de drain-source spanning. Dit is het middelste gedeelte van de grafiek. Wanneer de drain-source spanning hoger wordt, komt de NMOS in het saturation gebied (uiterst rechts); hier gedraagt het zich als een stroombron. Er geldt:

• Ids = 0 ; Vgs < Vt, cut-off
• Ids = β (Vgs - Vt - Vds/2) Vds ; Vds < Vdsat, linear
• Ids = β (Vgs - Vt)² ; Vds > Vdsat, saturation

met

• Ids = drain-source stroom
• Vgs = gate-source spanning
• Vds = drain-source spanning
• Vt = drempelspanning
• β = geometrie- en technologie afhankelijke parameter

Lees verder

• De wet van Ohm en ohmse weerstand
• De diode, spanning en stroom