De transistor, wat is dat nu eigenlijk?

Met miljarden tegelijk zijn ze aanwezig op chips van een vierkante centimeter. Ze zorgen er bijna magischerwijs voor dat computers, mobiele telefoons en televisies werken. Maar wat doen die kleine dingen nou eigenlijk?

Informatie en communicatie

Transistoren komen we tegen in apparaten die informatie en de overdracht daarvan (communicatie) mogelijk maken. Zoals je misschien weet wordt dat gedaan met zogenaamde bits: enen (hoog) en nullen (laag). En hoewel dat ingewikkeld lijkt is het eigenlijk heel eenvoudig. Stel dat je iemand in huis wilt roepen voor het eten. In sommige gezinnen wordt er onder aan de trap met de lichtschakelaar geschakeld zodat boven het licht aan en uit gaat. In feite kun je dan afspraken maken, bijvoorbeeld: een keer knipperen staat voor eten en twee keer knipperen staat voor de telefoon opnemen. Eigenlijk breng je dan informatie over, via een elektrische kabel, en je kunt alleen gebruik maken van het licht aan doen (een één of 'hoog') en uitdoen (een nul of 'laag').

Geschiedenis van het schakelen

Schakelen dus, dat is waar het om gaat in de digitale elektronica. Vroeger gebruikte men daarvoor vacuümbuizen. Deze buizen zien eruit als lampen waar een aantal elektrodes in zijn aangebracht. In feite werken deze buizen als een kraan: als er een elektrische spanning op één van de elektrodes wordt gezet, dan wordt er in feite een kanaal gevormd tussen de andere elektrodes zodat er er een stroom kan gaan lopen. Duizenden van die buizen werden aan elkaar geknoopt in grote ruimtes. Dit waren de eerste computers die door al die schakelende buizen berekeningen konden maken. Er waren zelfs mensen die als dagtaak hadden om alle doorgebrande buizen te vervangen voor nieuwe.

Vanaf de jaren 50 kwamen de transistoren in opkomst. Deze dingen bleken veel handiger te zijn dan buizen; ze zijn namelijk gemakkelijker en kleiner te maken. Eigenlijk was er in 1923 al een zogenaamde veld-effecttransistor ontworpen, maar de grote bijdrage aan transistors als nieuwe wetenschap komt van Bardeen, Brattain en Shockley in 1947. Hiervoor hebben ze zelfs een Nobelprijs gewonnen. En in feite was deze uitvinding misschien wel de belangrijkste stap in de digitale revolutie en heeft het onze wereld in vergelijkbare mate veranderd als de boekdrukkunst en de stoommachine.

De werking van transistoren

Dus, net zoals de buis is ook de transistor een soort kraan: met een spanning op de ene aansluiting wordt er een kanaal geopend tussen de andere aansluitingen en kan er stroom gaan lopen. De kraan gaat verder open naarmate er meer druk wordt aangebracht op de 'basis'. Omdat deze verder open gaan wordt het kanaal tussen collector en emitter breder en wordt de (vloeistof)stroom groter.

Voor transistors geldt iets soortgelijks. Hierbij worden er via de 'basis' elektronen in feite uitgetrokken. Daardoor ontstaan er meer ladingsdragers in het kanaal en kan deze beter stroom geleiden.

Dit zijn zogenaamde bipolaire junctietransistors. Er bestaan ook veld-effecttransistors die op soortgelijke wijze werken. Het verschil is dat hierbij de middelste aansluiting (in dat geval niet 'basis' maar 'gate' genoemd) niet contact maakt met het kanaal, maar elektrostatisch de ladingsdragers in het kanaal beïnvloedt.

De kanttekening moet gemaakt worden dat er fysisch natuurlijk nog veel meer bij komt kijken.

Koppelen van transistoren

Eén transistor is eigenlijk al een krachtig apparaat: deze kan immers gebruikt worden om signalen te versterken. Door op een slimme manier transistoren te combineren met weerstanden kunnen bijvoorbeeld audioversterkers ontworpen worden voor het versterken van geluid of antenneversterkers voor het versterken van de signalen in mobiele telefoons.

Door meerdere transistoren aan elkaar te koppelen kunnen schakelingen worden gerealiseerd die digitale operaties uitvoeren. Denk aan AND-poorten en OR-poorten. Bij AND-poorten wordt alleen de uitgang (C) hoog als beide ingangen (A en B) hoog zijn. Bij OR-poorten wordt de uitgang hoog als één van de ingangen hoog is.

Naast AND- en OR-poorten zijn er ook nog andere digitale operaties mogelijk. Met het combineren van deze operaties kunnen ook bijvoorbeeld optellers, vermenigvuldigers en worteltrekkers gemaakt worden. En het combineren van deze kleine rekenmachines maakt complete computers mogelijk.

Lees verder

• Hoe worden chips gemaakt?
• Hoe werken computers?
• Hoe werkt het internet?