1931
1932
1951
1956

 

 

 

   Jo's Radio Verzameling

  Push this button for the English version of this homepage

 
Inhoudsopgave
 Introductie
 Hoofdstuk 1  Radio verzameling

  
1.1  Philips Radios
  1.2  Philips Plaatspanninsapparaten en gelijkrichters
  1.3  Erres Radios
  1.4  Fridor Waldorp Radios
  1.5  Belgische Radios
  1.6  Duitse Radios
  1.7  Zelfbouw Radios
  1.8  Philips Tape Recorders
  1.9  Philips TV ontvanger
Hoofdstuk 2  Restauratietips voor Radios
  2.1  Algemeen
  2.2  Componenten
  2.2.1 Buizen
         2.2.2 Weerstanden
         2.2.3 Condensatoren
         2.2.4 Afstemcondensatoren
         2.2.5 Spoelen
         2.2.6 Schakelaars
         2.2.7 Oscillator frequentie
  Hoofdstuk 3  De evolutie van de radiobuis
  3.1  Inleiding
  3.2  Het electromagnetisch spectrum
  3.3  De eerste radiolamp
  3.4  De eerste Nederlandse radiolamp
  3.5  De werking van de electronenbuis
         3.5.1 Inleiding
         3.5.2 De diode
         3.5.3 De triode
         3.5.4 De tetrode
         3.5.5 De pentode
  3.6  De uitvinding en opmars van de transistor
 3.6.1 Halfgeleiding in germanium en silicium
         3.6.2 n en p germanium
         3.6.3 De p-n overgang
         3.6.4 De transistor
   3.7 Hybrid circuits
   3.8 Geïntegreerde circuits (IC's)
         3.8.1 IC Technologie
         3.8.2 IC Proces beschrijving
                  3.8.2.1 Substraat fabricage proces
                  3.8.2.2 Epitaxiaal groeiproces
                  3.8.2.3 Isolatie diffusie
                  3.8.2.4 Basis diffusie
                  3.8.2.5 Emitter diffusie
                  3.8.2.6 Aluminium metalisatie
   3.9 Veldeffect transistoren
         3.9.1 De JFET
                  3.9.1.1 Fabricage van de JFET
         3.9.2 De MOSFET
                  3.9.2.1 De n-channel enhancement MOSFET
                  3.9.2.2 Fabricage van de n-channel
                              enhancement MOSFET

         3.9.3 De complementaire MOSFET
                  3.9.3.1 De fabricage van de CMOS inverter
   3.10  De toekomst van de chip
  Hoofdstuk 4  Ontwikkeling van componenten en hun assemblages

Introductie
Mag ik me even voorstellen, ik ben Jo Bleijlevens en woon in het uiterste zuiden des lands. Mijn interesse in oude radios is niet zo verwonderlijk als je bedenkt dat mijn achtergrond electrotechniek is en de focus ligt op electronica aangevuld met enige kennis van de fijnmechanica. Als klein jochie van 6 jaar sloopte ik alles wat afgedankt werd om te zien hoe het "ding" werkte en in elkaar gestoken was. Zo heb ik, zelfs toen ik wat ouder was, een Philips radio model 2531 met bijbehorende luidspreker model 2019 volledig gesloopt. Ik vond die rode hoefijzermagneet zo "aantrekkelijk". Op die manier zijn tientallen oude radios en televisies bij mij onder de slopershamer terecht gekomen. Het was een vreemde gewaarwording dat ik op veel latere leeftijd toch wroeging kreeg van dit nostalgisch slopersgedrag. Aanleiding hiertoe was dat ik op internet diverse foto's van oude radios zag die mij heel bekend voorkwamen. Ik ben toen verwoed beginnen te verzamelen omdat ik de buizen in die radios weer wilde zien gloeien en de radios weer wilde horen spelen. Ik ben toen in 2006 lid van de NVHR geworden, dit om de diverse ruilbeurzen te kunnen bezoeken om zodoende onderdelen en oude radios te ruilen of te kopen. De NVHR, opgericht in 1977, is de Nederlandse Vereniging voor de Historie van de Radio.
Momenteel heb ik een aantal toestellen, hoofdzakelijk Philips, die ik in de afgelopen jaren grondig heb gerestaureerd en die vrij aardig spelen. Dit renovatie project heeft geresulteerd in een acceptabele geluidskwaliteit van alle radios.
Voor het slagen van dit project dank ik vooral Jan Post uit Australie en Ben Dijkman en Corrien Maas uit Nederland voor het leveren van de onderdelen om deze verzameling radios compleet te maken. Corrien Maas leverde het prachtig handgeweven luidsprekerdoek dat iedere radio zijn eigen uiterlijk geeft. Zo dank ik ook mijn oud Medtronic collega Volkert Zeijlemaker uit Landgraaf die mij een Schaaper zelfbouwradio schonk.
Dit "geval" stond bij de buren bij het grof vuil zei hij en vroeg of ik er wat mee kon doen. Ik nam hem mee naar huis in de veronderstelling hem te slopen voor de onderdelen. Ik wilde echter eerst weten wat dat ding eigenlijk was omdat ik het vermoeden had dat het niet om een gewone zelfbouwradio ging.
Zoals ik al eerder zij was ik inmiddels lid geworden van de NVHR en benaderde derhalve Wim Stuiver om een FM voorzetunit voor de BX410A radio van Philips. Terloops stelde ik hem, tijdens de e-mail correspondentie, de vraag of hij het apparaat op de aangehechte foto kon thuisbrengen. Hij vertelde mij toen dat ik de trotse bezitter was van een originele Erik Schaaper Zelfbouwradio uit de jaren 1930-1934.
Erik Schaaper had destijds een fabriekje in radio-onderdelen en bouwdozen in Hilversum.
 

In het eerste hoodstuk nu zal ik een overzicht geven van mijn radioverzameling gevolgd door een hoofdstuk met nuttige tips die kunnen helpen bij het restaureren van oude radios teneinde ze weer dat nostalgisch geluid te laten voortbrengen.
In het derde en het vierde hoofdstuk zal ik proberen een historisch overzicht te geven van de technologische ontwikkelingen vanaf de primitieve radiobuis tot aan de hedendaagse semiconductor chip die, zoals iedereen wellicht weet, volgepropt zit met miljoenen transistoren die in feite de opvolgers zijn van de electronenbuizen.

 

 

Hoofdstuk 1   Radio verzameling

 

1.1  Philips Radios         ( Klik op de figuur om hem vergroot weer te geven )

 

 

2531 met luidspreker model 2019 Bouwjaar 1932

                  Buizen: E442, E424, C443, 506

      2019 Luidspreker      2115 Luidspreker

 

 

 

 

                   836A    Bouwjaar 1934

           Buizen: E455, E462, E499, E443H, 1823

                      V6A    Bouwjaar 1937

          Buizen: AK2, AF3, ABC1, AL4, AZ1

 

 

 

                    890A    Bouwjaar 1937

 Buizen AF3, AK2, ABC1, ABC1, AL4, AL4, AM1, 
               AZ1, 1823

 

 

 

 

                    890A Stationsschaal

         890A Afstemindicator  (Katte oog)

 

 

 

                          650A    Bouwjaar 1938

             Buizen: EK2, EF8, EF9, EBL1, EM1, AZ1

 

 

 

 

                      905X   Bouwjaar 1940

          Buizen: EF8, ECH3, EF9, EFM1, EBL1, AZ1

                   BX462A   Bouwjaar 1946

             Buizen: ECH21, ECH21, EBL21, AZ1

 

 

 

 

                    BX360A   Bouwjaar 1947

              Buizen: ECH4, ECH4, EBL1, AZ1

                            681X  Bouwjaar 1947

         Buizen: ECH4, EF9, EBF2, EF9, EL3, EM4, AZ1

 

 

 

 

                      BX380A    Bouwjaar 1948

                Buizen: ECH21, ECH21, EBL21, AZ1

                   

      

 

 

 

 

                      BX373A    Bouwjaar 1948

                Buizen: ECH21, ECH21, EBL21, AZ1

                     BX490A   Bouwjaar 1949

Buizen: ECH21, EAF42,EAF42, EBL21, EM34, AZ1

 

 

 

 

                       BX400A   Bouwjaar 1950

           Buizen: ECH42, EAF42, EBC41, EL41, AZ41

                         BX210U   Bouwjaar 1951

            Buizen: UCH42, UF41, UBC41, UL41, UY41

 

 

 

 

             BX410A    Bouwjaar 1951

  Buizen: ECH42, EAF42, EBC41, EL41, AZ41, 

               EM34

                   BX533A    Bouwjaar 1954

  Buizen: EC92, EC92, EF85, ECH81, EF41,

               EABC80, EL84, EZ80, EM34

 

 

 

 

                       B5X63A    Bouwjaar 1956

  Buizen: ECC85, ECH81, EF89, EF85, EABC80

               EL84, EL86, EZ80, EM80

                     B5X72A   Bouwjaar 1957

   Buizen: ECC85,ECH81,EF89,EF85,EABC80,EL84,EL86,

                EM80,EZ80

 

 

 

 

                     B2D03A    Bouwjaar 1960

      Buizen: ECC85, ECH81, EF89, EABC80, EL95

                         B0X15U   Bouwjaar 1961

               Buizen: UCH81, UBF80, UCL82, UY89

 

 

 

 

                     B5X14A    Bouwjaar 1961

      Buizen: ECC83, EAA91, ECC85, ECH81, EF89,

                     EBF89, EL84, EL84, EZ81, EM80 

                         B5X82A   Bouwjaar 1958

               Buizen: ECC85, ECH81, EF89, EF85,

                            EABC80, EL84, EL86, EZ80, EM84 

 

 

 

  1.2 Philips plaatspanningsapparaten en gelijkrichters

 

 

             Gelijkrichter model 1017  Bouwjaar 1929

                Buis: Kwikdampgelijkrichter 1018

 Plaatspanningsapparaat model 372  
                            Bouwjaar 1925

                      Buis: Gelijkrichter 373

 

 

   Plaatspanningsapparaat model 3002  Bouwjaar 1928

                   Buis: Gelijkrichter 1805

 

 

                Gelijkrichter type 327   Bouwjaar 1925

              Buizen: Kwikdamp gelijkrichter 328 en
                   stabilisatie weerstandsbuis 329

 

 

 

  1.3 Erres Radios

 

 

 

                       KY509    Bouwjaar 1950

  Buizen: ECH42, EF41, EBC41, ECC40, EL41, EL41,

               EM34, AZ41, AZ41, 

                       KY537    Bouwjaar 1953

  Buizen: ECH81, EF85, EABC80, EC92, EL84, EM34,

               EZ80, 

 

 

 

  1.4 Fridor Waldorp Radios

 

 

                      Waldorp 502   Bouwjaar 1949

                Buizen: ECH21, ECH21, EBL21, AZ1

 

 

 

1.5     Belgische Radios

 

                       350A  van SBR   Bouwjaar 1939

                        Buizen: ECH3, EF9, EBL1, AZ1

 

1.6     Duitse Radios

 

 

          Graetz Canzonetta 515    Bouwjaar 1957

          Buizen: ECH81, EF89, EABC80, EM80, EL84

            Nordmende Stradella    Bouwjaar 1963

 Transistoren: AF106, OC615, AF105, AF105, AF105,     
                    AC162, AC162, AC152, AC152

 

1.7     Zelfbouw Radios

 

                          Schaaper 1931

  HF Buis:                E452T

  Detector Buis:       E446

  Eindbuis:              E443H

  Gelijkrichterbuis:  1823

           Schaaper eenknops afstem-unit

 

1.8    Philips Tape Recorders

                                                                EL 3516    Bouwjaar 1958

                                                     Buizen: EF86, ECC83, ECL82, EM81, EZ80

 

 

 

                                                                EL 3541    Bouwjaar 1961

                                                     Buizen: EF86, ECC83, ECL82, EM84, EZ80

 

 

 

 

                       EL 3514    Bouwjaar 1962

                     Buizen: ECC83, DM71, EL95

                 

 

 

 

1.9    Philips TV Ontvanger

                                                                TX500U    Bouwjaar 1951

   Buizen: MW31-74, 2xPY80, 9xEF80, EQ80, EL42, EB91, PL83, 3xECL80, PL83, PY80, EY51

   Opm. Foto rechts toont de werkende TX500U

 

 

 

Hoofdstuk 2    Restauratietips voor radios
2.1    Algemeen

Deze restauratietips zijn hoofdzakelijk bedoeld voor het technisch gedeelte van de radio. Er wordt van uitgegaan dat de kast en het chassis grondig gereinigd zijn en niet beschadigd zijn. Mocht dit niet het geval zijn dan kan wat de kast betreft, als ze erg bekrast is, opnieuw gepolitoerd worden hetgeen echter een tijdrovende bezigheid is. Voor diegene die geen geduld hebben kan de kast behandeld worden met vloerlak hetgeen ook een erg mooi resultaat geeft.
Voorwaarde voor succes is wel dat de kast eerst helemaal glad geschuurd wordt, eerst met 180 korrelig schuurpapier, dan met 220 en 400 en als laatste met 600 of zelfs 1200 fijnkorrelig schuurpapier. Daarna kan de kast gepolitoerd of gelakt worden.
Het chassis kan, nadat het nodige stof verwijderd is, het beste met wasbenzine gereinigd worden. Het gebruik van "koperpoets" wordt sterk afgeraden daar dit de cadmiumlaag van het chassis aantast en een smerige glimmende aanblik aan het chassis geeft.
Over de stationschaal kan ik heel kort zijn: aan de achterkant (letterzijde) nooit aankomen !!  Gewoon met een katoenen doek voorzichtig het stof afvegen en verder niets doen. Wel kan uiteraard de voorkant van de schaal met een afwasmiddel behandeld worden maar, nogmaals, doe dit nooit met de achterkant van de schaal. Helaas heeft mij dit al 2 blanke afstemschalen opgeleverd. Gelukkig heb ik de originele schalen via Marktplaats weer weten te bemachtigen.


2.2   Componenten
2.2.1   Buizen
De buizen kunnen het beste eerst met een buizentester getest worden op steilheid, gas in de buis en kortsluitingen.
Meestal is de emissie van de buis sterk achteruit gegaan waardoor de steilheid zelfs met een factor 2 gedaald kan zijn.
Maar in de meeste gevallen maakt dit niet zo gek veel uit op de geluidskwaliteit.
Wat vaak voorkomt is dat de buis helemaal niets meer doet, behalve dan dat de gloeidraad brandt. Meestal is de oorzaak te vinden in een losse aansluitdraad naar de buisvoet. Wat je dan kunt doen is de buisvoet voorzichtig van het glas te halen door hem op 5 mm van het glas rondom in te zagen. Nu wordt in de lengterichting van de buis in de smalle ring die nu ontstaan is een zaagsnede gemaakt. Door een schroevendraaier in de zaagsnede te zetten breekt de ring gemakkelijk open en kan de rest van de buisvoet verwijderd worden. Let wel op dat de aansluitdraden niet afbreken.
Van een afgedankte buis wordt met een diamantschijfje het glas ingeslepen om het vacuum te verwijderen. Verwijder nu het glas, de bruine kit en de aansluitdraden uit de buisvoet en maak de gaatjes in de pennen open.
Nadat de aansluitdraden verlengd zijn wordt de buisvoet van de afgedankte buis er op gezet en de draden vast gesoldeerd. Het is handig om de aansluitdraden een verschillende lengte te geven waardoor ze gemakkelijk door de gaatjes in de pennen gevoerd kunnen worden.
Om de buisvoet te fixeren kan deze het beste met 2 componenten lijm rondom vastgezet worden. Let er wel op dat bij buizen met een afschermlaag de draad die parallel zit aan de cathodedraad of aan een extra pen deze daadwerkelijk contact maakt met de afschermlaag.

2.2.2   Weerstanden
Bepaalde typen weerstanden, vooral deze, zijn vaak zeer sterk in waarde verlopen of zijn zelfs open gebarsten.
Vooral  verlopen weerstanden die de instelling van een buis bepalen moeten worden vervangen om de radio weer optimaal te laten spelen.

2.2.3  Condensatoren
Electrolytische condensatoren die de spanning van de gelijkrichterbuis moeten afvlakken zijn meestal door een te hoge lekstroom aan vervanging toe. Daartoe wordt de felsrand van de condensator voorzichtig open gebogen en het binnenwerk verwijderd. Na het plaatsen van een nieuwe moderne elco wordt de felsrand weer dichtgemaakt.
Let op de correcte polariteit van de nieuwe condensator.

De bekende zwarte teer condensatoren van Philips zijn bijna altijd in capaciteitswaarde verlopen en kunnen een aanzienlijke lekstroom hebben. Ik heb zelfs al lekstromen gemeten van enkele milli-Ampères bij een testspanning van 200V.
Voor afvlakcondensatoren van de anode spanning of schermrooster spanning is een lek van 100-200 μA toelaatbaar bij een testspanning van 200V.
Voor koppelcondensatoren is een lek groter dan 10 μA niet toelaatbaar daar dit de instelling van de volgende buis sterk zal beinvloeden en wel in die zin dat de roosterspanning zal toenemen.
Moeten deze teercondensatoren toch worden vervangen ga dan als volgt te werk:
In een pertinax koker met de juiste maat van de oude teercondensator wordt een condensator met de juiste capaciteit en werkspanning gemonteerd (zie foto). De aansluitdraden van de condensator zijn van tevoren door draden van de juiste diameter vervangen. Moderne condensatoren zijn veel kleiner en hebben derhalve aansluitdraden met een kleinere diameter. Op de uiteinden van de pertinax koker  worden 2 delrin bussen geklemd die op de draaibank onder een hoek van 120° zijn afgeschuind (zie foto). Door het geheel van een zwarte satijnen laklaag te voorzien is de condensator niet meer van de originele condensator te onderscheiden (zie foto).

2.2.4  Afstemcondensatoren
Maak de afstemcondensator met een fijne kwast stofvrij en zorg ervoor dat de plaatjes op het draaidaar gedeelte van de afstemcondensator niet worden verbogen ook al staan deze ogenschijnlijk wat scheef.
Ik heb dit een keer meegemaakt bij een oude TV tuner. Ik dacht toen bij mezelf, wat staan die plaatjes toch allemaal schots en scheef, dit hoort toch zeker niet zo. Nadat ik alle plaatjes mooi recht had gebogen heb ik nooit meer beeld gehad op deze TV.

2.2.5  Spoelen
Meet de Ohmse weerstand van de spoel en check dat deze overeenkomt met de specificatie in de service documentatie.
Spoelen behoeven geen specifieke aandacht daar deze vrijwel altijd in een aluminium behuizing gemonteerd zitten en de kern voor de trimming is afgelakt.
Open honingraatspoelen dienen alleen stofvrij gemaakt te worden. Wees voorzichtig met de dunne aansluitdraden daar deze gemakkelijk kunnen afbreken.

2.2.6  Schakelaars
Controleer of alle contacten goed schakelen door naar de verende beweging van de contactlippen te kijken.
Indien deze niet bewegen en geen contact maken na ze Ohms doorgemeten te hebben, verbuig dan voorzichtig de contactlip. Indien de schakelaar kraakt, spuit dan contactreiniger "Contakt 60" op de contacten en verwijder overtollig reinigingsvloeistof.

2.2.7  Oscillator frequentie
Mocht de radio op een van de golfbereiken, bijvoorbeeld de middengolf, nauwelijks of geen ontvangst hebben dan is het aan te bevelen om de frequentie van de oscillator te controleren. 
De middengolfband beslaat een frequentie van 513 kHz tot 1714 kHz.
Is de middenfrequentie van het betreffende toestel bijvoorbeeld 473 kHz, dan zal de frequentie van de oscillator moeten varieren van 986 kHz tot 2187 kHz. Wijkt de gemeten oscillatorfrequentie sterk van deze waarden af, dan is waarschijnlijk een van de condensatoren in de oscillatorkring verlopen of defect.

Hoodstuk 3   De evolutie van de radiobuis
3.1 Inleiding
Willen we de evolutie van de radiobuis goed in kaart brengen dan moeten we een heel grote stap terug in de geschiedenis maken en wel teruggaan naar het tijdperk van de draadloze telegrafie.
De draadloze telegrafie berust in zijn grondvorm op de proefnemingen van Hertz die in 1888 het proefondervindelijk bewijs leverde dat, de door een oscillator in trilling gebrachte electriciteit, in lichamen, welke op enige afstand van de oscillator zijn geplaatst, ook een electrische trilling teweeg brengt.
Hertz bestudeerde door middel van zijn schitterende proefnemingen dat deze zogenaamde electromagnetische golven zich bewegen met de snelheid van het licht en wel met 300000 km/sec.
Uit deze belangrijke proefnemingen van Hertz, proeven die moesten dienen om de veronderstellingen van Maxwell te bewijzen, werd kort daarop de draadloze telegrafie geboren.

3.2  Het electromagnetisch spectrum
Een electromagnetisch golf kan men zich het beste voorstellen door twee loodrecht op elkaar staande golven die zich in vacuum met een snelheid van 300000 km/sec voortplanten.
De ene component van de electromagnetisch golf veroorzaakt een electrisch veld en de andere component van de electromagnetisch golf veroorzaakt een magnetisch veld.
De bekendste vorm van een electromagnetisch golf is het zichtbare licht. Het onderscheidt zich van alle andere electromagnetisch golven door zijn frequentie. Het is verbazend te zien dat het zichtbare licht maar een heel klein deel van het totale spectrum bestrijkt
(klik hier om het totale spectrum te bekijken).

3.3  De eerste radiolamp
Het is de grote verdienste van Marconi geweest dat hij de uitvinding van Hertz voor de praktijk bruikbaar heeft gemaakt. Hij bracht de nodige praktische veranderingen aan in de laboratoriumproeven van Hertz en bereikte al spoedig een afstand van 10 tot 20 km waarover hij seinen kon uitwisselen door middel van electromagnetisch golven.
Hij verving bij die proefnemingen de electrische resonator van Hertz door een veel gevoeliger instrument en wel de coherer van professor Branley en bereikte daarmee aanmerkelijk gunstigere resultaten.
Deze coherer van Branley is een klein luchtledig glazen buisje dat gedeeltelijk gevuld is met metaalvijlsel dat losjes opgesloten zit tussen twee zilveren stopjes die van aansluitdraden zijn voorzien.
Plaatst men nu dit toestelletje in een stroomkring met spanningsbron en galvanometer dan zal het onder normale omstandigheden een grote weerstand bieden aan de electrische stroom. Echter onder invloed van electromagnetisch golven gebracht neemt die hoge weerstand van de coherer plotseling sterk af zodat de galvanometer merkbaar uitslaat.
Helaas is de coherer, wegens zijn ongevoeligheid als detector, slechts een kort leven beschoren geweest.
Meer en meer werden in de jaren daarna de toen bekende detectoren zoals de Marconi detector en electrolytische detector vervangen door kristal detectoren. Men heeft toen ontdekt dat sommige kristallen zoals carborundum, silicium en koperpyriet de eigenschap hebben de electromagnetisch golven slechts in een richting doorlaten.
De op deze wijze gelijkgerichte hoogfrequente stromen kunnen nu met behulp van een zogenaamde blokkeringscondensator en een koptelefoon hoorbaar gemaakt worden.

De kristaldetector bleek echter zeer onbetrouwbaar te zijn, zo moest hij voortdurend bijgesteld worden en gaf geen versterking van het signaal. 
Een grote doorbraak waren de proefnemingen van Lee de Forest die in 1906 resulteerden tot de allereerste radiolamp de Audion genaamd (audio-ion).
Tijdens deze proefnemingen vond de Forest dat gas in een laag vacuum buisje, dat verhit werd door een gloeidraad in de buis, in een richting geleidend werd. Door een draad om de glazen buis te wikkelen die op een hoogfrequent trilling was aangesloten, kon de stroom in de buis beinvloed worden.
In zijn oorspronkelijk ontwerp was een metalen plaatje en een gloeidraad ingesmolten in de glazen buis. Het metalen plaatje was via een koptelefoon verbonden met de positieve klem van een 22 Volts batterij. De negatieve klem was verbonden met een zijde van de gloeidraad. Een hoogfrequent signaal aangesloten op de draad die om de buis gewikkeld was veroorzaakte een veranderlijke stroom in de koptelefoon.

Een logische verdere ontwikkeling van de Audion was dat de draad, die nu om de glazen buis gewikkeld was, als rooster in de buis ingesmolten werd.
Diverse geleerden zoals John Ambrose Fleming, Edwin Armstrong en Irving Langmuir hebben zich met de verbetering van de Audion bezig gehouden. Deze verbeteringen richtten zich er vooral op het gas uit de buis te verwijderen en het vacuum te verbeteren. Dit in tegenstelling tot wat het patent van Lee de Forest beschreef: "Het gas in de buis is essentieel voor de werking van de buis".
De Audion was dan ook bedoeld om als detector te fungeren terwijl de hoogvacuum buizen zonder gas van Langmuir als versterker bedoeld waren en bij veel hogere frequenties nog goed werkten.
Het ironische van dit alles was dat kapotte Audions, die hun demodulerende eigenschap verloren hadden ten gevolge van het absorberen van gas door de metalen electroden, eigenlijk veranderden in een versterker, maar niemand die zich dat realiseerde op dat moment.

3.4  De eerste Nederlanse radiolamp
Als we de zoon van Leonard Bal moeten geloven was zijn vader de uitvinder van de eerste radiolamp in Nederland.
Hoe zijn anders de merkwaardige gebeurtenissen tijdens de eerste Nederlandse radio tentoonstelling in 1918 in Den Haag te verklaren? Het publiek op de tentoonstelling kon welliswaar morse seinen uit de radiotoestellen opvangen maar uitsluitend via koptelefoon en dus zonder versterker. Maar dan voltrekt zich bij stand 33 een klein wonder.
In die stand staat Leonard Bal, directeur van Electrotechnisch bureau Bal uit Breda, met zijn zelfgebouwd radiotoestel dat de allereerste Nederlandse radiolamp bezit die versterking van de ethersignalen mogelijkt maakt.
Hij laat zelfs het tijdsein van Parijs door de zaal schallen. De concurrentie is sprakeloos. Daar waar de grote techneuten, met name Philips falen, slaagt een relatief onbekende buitenstaander er wel in om radiosignalen te versterken.
Leonard Bal moest nu wel wereldberoemd worden. Helaas heeft het niet zo mogen zijn.
De zoon van Leonard Bal vervolgt: "Er zijn rare dingen gebeurd in 1918. Mijn vader werd het succes misgund. Na afloop van de eerste dag van de tentoonstelling ging hij terug naar zijn stand. Het bleek dat zijn lamp was gestolen.
De volgende dag keerde hij terug en ontdekte tot zijn grote verbazing dat de lamp weer in de radio teruggeplaats was.
Vervolgens is het heel vreemd dat Hanso Idzerda, een radiotechnicus en directeur van een radiofabriek, twee maanden later een radiolamp ontwikkelde die identiek was aan de Bal radiolamp.
Idzerda kreeg patent op deze zogeheten IDEEZET lamp die door Philips als eerste Nederlandse lamp in productie werd genomen".

De verhalen doen echter de ronde dat noch Idzerda noch Bal de eerste Nederlander was die een goed functionerende radiobuis maakte. De werkelijk allereerste lamp zou in 1917 zijn gemaakt door glasblazer Hendrik Schmitz bij de metaaldraadlampen fabriek Holland te Utrecht. Het volgende geval deed zich voor:
Op 15 november 1917 stapte bij de Holland fabriek een zekere luitenant Tolk en luitenant-ter-zee Dubois binnen.
Ze hadden een Telefunken-lamp bij zich die afkomstig was uit het radiotoestel van een Duits watervliegtuig dat bij Kampen was neergestort. Het bedrijf kreeg in naam van het Ministerie van Oorlog de opdracht het onderdeel onder geheimhouding na te maken. Vier dagen later, op 19 november 1917, hadden glasblazer Schmitz en laborant ir F. Prinsen een eerste werkende radiolamp klaar.
Begin 1918 had lampenfabriek Holland een eigen radiobuis klaar die een voorloper was van de buizen die tot 1923 werden gebruikt in de radiotoestellen van de Nederlandse Seintoestellen Fabriek (NSF) in Hilversum.
Begin 1918 kreeg Idzerda lucht van de experimenten in Utrecht. Hij probeerde enkele radiolampen bij de Holland te bestellen maar daar staken de militaire autoriteiten een stokje voor. In maart van dat jaar stond Idzerda nog met ouderwetse kristalontvangers op de radiotentoonstelling in Den Haag. Daar demonstreerde luitenant Tolk een ontvanger die hij had gebouwd met lampen uit de geheime Holland-serie. Het inwendige van dat apparaat was officieel staatsgeheim en dus verstopt in een verzegelde kast. Bals ontvanger, iets verderop, was niet meer dan een schakeling op een kale houten plaat. Die openheid trok aanzienlijke aandacht. De buislamp, die matglas had om het inwendige aan het oog te onttrekken, had het opschrift Bal - Pope Venlo, terwijl niemand wist dat bij dat bedrijf al radiolampen werden vervaardigd.
Er gebeurden, zoals eerder werd verteld, vreemde dingen in Den Haag. Bals lamp verdween op de eerste avond van de expositie om de volgende morgen weer in het apparaat te steken alsof er niets was gebeurd. Bal hield het incident stil. De brutale diefstal van Tolks kist reserve-onderdelen haalde wel de kranten.
Bal kreeg daarna al snel overweldigende concurrenten tegenover zich. In Hilversum begon NSF ontvangsttoestellen te bouwen met Holland-lampen. En in de Philips Company Archives zijn stukken aanwezig waaruit blijkt dat ingenieur Idzerda een prototype van een naar zijn aanwijzingen gemaakte radiolamp geleverd kreeg van Philips. Op 1 juli 1918 werd een contract getekend waarin de ingenieur zich verplichtte minimaal 180 stuks per jaar van zijn 'Ideezet' af te nemen. Kort daarop begon de produktie.
Of Idzerda iets met de mysterieuze gebeurtenissen in de eerste nacht van de radiotentoonstelling van 1918 te maken had, is verre van zeker. Idzerda's latere partner Philips was namelijk al in November 1917 door luitenant Tolk benaderd met de Telefunken-lamp uit Kampen. De Philips ingenieurs hadden er wel oren naar gehad, maar Gerard Philips zag niets in radiowerk dat hij 'militaire spielerei' vond. Pas toen Idzerda afname garandeerde, ging ook hij overstag.
Het fijne ervan zullen we wel nooit te weten komen. Wat we wel weten is dat dit technologisch gedoe er uiteindelijk toe geleid heeft dat op het eind van de twintiger jaren en begin dertiger jaren in de meeste huishoudens goed spelende radio ontvangers stonden en dit zo bleef totdat in het midden van de vijftiger jaren de transistor radio geintroduceerd werd. In de moderne electronica zijn de radiobuizen op grote schaal vervangen door de zogenaamde "solid state devices" zoals de transistor, uitgevonden in 1947, en geimplementeerd in geintegreerde schakelingen in 1959.
Niettegenstaande dat worden electronenbuizen nog altijd op grote schaal toegepast in high-end audio toepassingen. Buizen versterkers produceren namelijk een wonderbaarlijk warm geluid dat nog niet succesvol is nagebootst door digitale technologie. 


3.5  De werking van de electronenbuis
3.5.1 Inleiding

De radio-omroep, die sinds 1920 begon te floreren, noopte tot massafabricage van de radiolampen. De hel gloeiende wolfraam-cathode maakte spoedig plaats voor de zachtrood gloeiende oxyd-cathode en de schermroosterbuis deed zijn intrede. Zo omstreeks 1935 begint het nog steeds bestaande streven naar verkleining van de afmetingen van de buizen.
Al gauw blijft dan van de uitwendige gelijkenis met een gloeilamp niets meer over.
Nu de meeste "radiolampen" buisvormig zijn geworden en toepassingen die bijna niets meer met radio te maken hebben, is de betiteling "electronenbuis" zeker meer op zijn plaats.

3.5.2  De Diode
De moderne electronenbuis is een hoogvacuum buis waarbinnen een stroom vrije electronen in stand kan worden gebracht. Om de beweging van de electronen mogelijk te maken moet de ruimte in de buis op vacuum zijn gebracht.
De eventueel nog aanwezige gasresten worden verwijderd door een zogenaamde "getter". Deze getter bevat bijvoorbeeld barium dat bij hoogfrequente verhitting verdampt en op de glaswand als een metaalspiegel neerslaat.
Deze bindt de nog aanwezige gasresten en is ook tijdens het in gebruik zijn van de buis nog tot enige gasabsorptie in staat. 

Hoe komt nu de electronenestroom binnen de buis op gang?
Daartoe moet de buis iets bevatten wat de electronen kan vrij maken, de zogenaamde kathode.
We weten dat geleiding in metalen plaats vindt door vrije electronen. Deze kunnen gemakkelijk door het metaal bewegen daar ze niet aan bepaalde atoomkernen gebonden zijn. Om vrije electronen buiten het metaal te brengen, moet arbeid worden verricht, hoofdzakelijk om de eenzijdige aantrekking door positief geladen atoomresten te overwinnen.
Deze uittreedarbeid is het product van de lading van het electron en het bij het uittreden doorlopen potentiaalverschil, de uittreedspanning. Aan electronen kan de voor het overwinnen van de uittreedspanning vereiste energie gegeven worden door verhitting van het metaal welke aanleiding geeft tot thermische emissie.

De kathode nu, bestaat uit een dun buisje bedekt met barium en strontiumoxyde. 
Binnen dit buisje is de gloeidraad aangebracht die met aluminiumoxyde bedekt is om te voorkomen dat de gloeidraad sluiting maakt met de kathode. Zie figuur 1

                  f  is de gloeidraad
                  k  is de kathode
                  a is de anode



Wordt dus nu de gloeidraad verhit dan zal de  kathode door thermische emissie electronen vrij maken. 
Plaatst men nu op enige afstand rondom de kathode een metalen plaatje, anode genaamd, dan spreekt men van een diode
Zie figuur 2
Indien nu tussen de anode en de kathode geen spanning wordt aangelegd, zal toch een aantal electronen uit de kathode kunnen treden. Enkele daarvan zullen de anode kunnen bereiken en deze negatief opladen.
De andere zullen de kathode als een electronenwolk omgeven. Er ontstaat hierdoor een ruimtelading welke het uittreden van nog meer electronen zal beletten.
Verbinden we nu via een stroommeter de anode met de kathode, dan zullen electronen van de anode naar de kathode kunnen terugkeren en de meter doen uitslaan. Leggen we nu een negatieve spanning aan tussen anode en kathode, dan zal dus deze stroom worden tegengewerkt en bij voldoende negatieve spanning zelfs geheel verdwijnen.
Dit gebeurt meestal bij een spanning van -0,1 tot -1,5 Volt. Het gebied nu van 0 tot -1,5V noemt men het aanloopgebied van de buis. Zie rechter grafiek in figuur 2.

Leggen we nu echter een positieve spanning aan tussen anode en kathode dan zullen, bij voldoende positieve anodespanning, zoveel electronen op weg zijn van de kathode naar de anode dat zij een negatieve ruimtelading vormen  waardoor de potentiaal in de buurt van de kathode daalt of zelfs negatief wordt. Dit ruimteladingsgebied belemmert het uittreden van nieuwe electronen. Naarmate echter de anodespanning stijgt, dringt de positieve invloed ervan verder in de ruimtelading door en breekt deze af. Zie figuur 2.
Wordt de anodespanning nu nog verder verhoogd, dan komt er een moment waarop de anodestroom vrijwel niet meer toeneemt. Dit is het verzadigingsgebied van de buis zoals getekend in figuur 2.
De ruimtelading is nu vrijwel geheel verdwenen en alle electronen uit de kathode bereiken de anode.


3.5.3  De Triode
In de diode buis was geen voorziening aanwezig om de stroom door de buis te regelen. De buis was ofwel geleidend of niet geleidend. Wordt nu echter in de diode, zoals boven beschreven, tussen de kathode en de anode een spiraalvormige draadconstructie, rooster genaamd, aangebracht, dan noemt men deze buis een triode. Zie figuur 1 en figuur 3.

De triode bestaat dus uit de kathode, het rooster en de anode. Door nu het potentiaal op dit rooster te varieren kan men de electronenstroom tussen kathode en anode regelen.
Als men nu een weerstand in de anodeleiding opneemt, onstaat een spanningsvariatie aan de anode die groter is dan de roosterspanningsvariatie, er treedt dus versterking op.
Belangrijk is dat de sturing van de electronenstroom vrijwel traagheidsloos is.
De anaodestroom Ia hangt dus af van de roosterspanning Vg en de voedingsspanning Vb. Het gemeten verband tussen deze grootheden kan grafisch worden weergegeven zoals te zien is in figuur 4 hieronder. De triodeschakeling die aan deze grafieken ten grondslag ligt is ook  weergegeven in figuur 4.

 























In deze schakeling is de voedingsspanning Vb via anodeweerstand Ra aangelegd aan de anode. De roostervoorspanning is -Vg, de anode-kathodespanning is Va en de anodestroom is Ia.
We kunnen nu de volgende vergelijking opstellen:
Vb = Va + Ia×Ra of anders genoteerd  Ia = -(1/Ra)×Va + Vb/Ra
De grafisch voorstelling van deze vergelijking is een rechte lijn door het punt Va=0,Ia=Vb/Ra en Va=Vb,Ia=0.
(Vergelijk dit met de vergelijking van een rechte lijn y=mx+q waarbij m de tangens is van de hoek die de lijn maakt met de x-as).

Het snijpunt van die rechte lijn, de belastingslijn genaamd, met de verschillende Vg lijnen geeft de waarde weer  van de anodespanning Va en de anodestroom Ia. Indien we nu de roosterspanning Vg varieren, verplaatst zich dit snijpunt, dat het werkpunt van de buis wordt genoemd, langs de belastingslijn.

De grootte van de roosterspanning variaties en de anodestroom variaties kunnen grafisch worden bepaald zoals de onderste kromme in de linker grafiek van figuur 4 laat zien. 
In figuur 4 is het rooster vast ingesteld op -1 Volt. Op deze "bias" spanning is een sinusvormig signaal gesuperponeerd van 1 Volt peak/peak. Door nu de anodestromen over te halen naar de rechter grafiek tot het snijpunt met de belastingslijn, vinden we de bijbehorende anodespanningsvariaties en natuurlijk ook de bijbehorende roosterspanning

De onderste kromme in de linker grafiek van figuur 4, die gebruikt is om via de belastingslijn de variaties in anodespanning weer te geven, heet de dynamische Ia-Vg karakteritiek.
Met behulp van deze dynamische karakteristiek kan gemakkelijk de statische Ia-Vg karakteristiek geconstrueerd worden.
Daartoe wordt de belastings weerstand nul gemaakt zodat de belastingslijn loodrecht op de Va-as staat.
Door de corresponderende snijpunten van de belastingslijn met de Vg lijnen over te halen naar de Ia-as en Vg-as in de linker grafiek, ontstaat de statische Ia-Vg karakteristiek. Zie bovenste kromme in de linker grafiek van figuur 4.
Het is belanrijk te vermelden dat de grafieken gelden voor een bepaalde voedingsspanning Vb.

Uit de grafieken in figuur 4 kunnen we nu een aantal belangrijke parameters van de buis afleiden.

Statische steilheid:        Sstat = (ΔIa/ΔVg)  bij constante Va

Inwendige weerstand:   Ri = (ΔVa/ΔIa)      bij constante Vg

Versterkingsfactor:       μ = -(ΔVa/ΔVg)  bij constante Ia

Tussen deze drie grootheden bestaat de betrekking:  μ = Sstat×Ri
We kunnen nu het verband tussen de statische en dynamische steilheid ook berekenen.
Sdyn = dIa/dVg   of  dIa = Sdyn×dVg
Uit  Vb = Ia×Ra + Va volgt voor kleine signaalveranderingen: dVa = Vb - Ra×dIa  dus dVa = Vb - Sdyn×Ra×dVg
De spanningsversterking μ is nu: dVa/dVg = -Sdyn×Ra
We kunnen nu verder afleiden uit het model voor de triode, dat we hier niet verder zullen bespreken, dat
dIa = μ×dVg/(Ri + Ra)  hieruit volgt  dIa/dVg = Sdyn = μ/(Ri + Ra)
Daar μ = Sstat×Ri  is dus  Sdyn = Sstat×Ri/(Ri + Ra)


3.5.4  De Tetrode
Bij deze buis is een tweede rooster, schermrooster G2 in figuur 3, aangebracht dat fungeert als een electrostatisch scherm tussen stuurrooster en anode. Hierdoor wordt de parasitaire capaciteit tussen anode en stuurrooster met een factor 1000 kleiner dan bij een triode.
Hierdoor wordt de terugwerking van de anode naar het stuurrooster veel kleiner dan bij een triode het geval is.
Een tweede gevolg van het aanbrengen van een schermrooster is dat de anodespanning vrijwel geen invloed meer uitoefent op de totale emissiestroom. Met de totale emissiestroom wordt hier bedoeld de som van de anodestroom en de schermroosterstroom. De verhouding van anode- en schermroosterstroom wordt sterk beinvloed door secundaire emissie van de anode en schermrooster. Hierdoor vertoont de Ia-Va karakteristiek van ouderwetse schermroosterbuizen onaangename onregelmatigheden zoals te zien is in figuur 5 hieronder. 

De bocht in deze grafiek begrenst het gebruik van de buis tot die anodespanningen welke groter zijn dan de schermroosterspanning. 
Is geen anodespanning aanwezig, dan zal de gehele kathodestroom naar het schermrooster gaan en de anodestroom is gelijk aan nul. Voor kleine positieve anodespanningen zal de anodestroom met de anodespanning snel toenemen.
Het grootste gedeelte van de electronen gaat nu door de mazen van het schermrooster heen naar de anode.
Door de lage anodespanning is echter de energie van deze electronen nog te klein om secundaire emissie te veroorzaken. Maakt men nu de spanning op de anode hoger, dan zullen door de electronen die op de anode terechtkomen, secundaire electronen worden vrijgemaakt. Deze electronen bevinden zich in de ruimte tussen de anode en het schermrooster en bewegen zich naar de electrode met het hoogste potentiaal, het schermrooster dus.
De schermroosterstroom neemt toe en de anodestroom af.
De secundaire emissie kan zelfs zo groot worden dat het laagste gedeelte van de karakteristiek onder de horizontale as komt te liggen. 
Maakt men nu de anodespanning groter dan de schermroosterspanning, dan zullen de secundaire electronen terugkeren naar de anode. Een gedeelte van de primaire electronen komt echter nog op het schermrooster terecht en kan daar secundaire electronen vrij maken. Deze electronen gaan nu naar de anode en vergroten dus de anodestroom.
Voor anodespanningen groter dan de schermroosterspanning is de anodestroom vrijwel constant.
Uit de Ia-Va karakteristiek is af te leiden dat de inwendige weerstand van de buis voor anodespanningen groter dan de schermroosterspanning zeer groot is.
De steilheid is, bij overigens bij gelijke afmetingen, iets kleiner dan die van de triode omdat nog altijd een gedeelte van de electronenstroom naar het schermrooster afvloeit.
De versterkingsfactor μ, welke gelijk is aan Sstat.Ri, is dus ook veel groter dan die van een triode.

3.5.5  De Pentode
Bij de pentode bevindt zich tussen het schermrooster en de anode een wijdmazig rem- keer- of vangrooster met een lage potentiaal dat er voor zorgt dat de electronen die door secundaire emissie aan de anode worden vrijgemaakt, het schermrooster niet kunnen bereiken. 
Dit remrooster is in figuur 3 aangeduid met G3 en is meestal inwendig met de kathode verbonden.
Het blijkt nu, bij een normale instelling van de buis, de anodespanning maar weing invloed op de anodestroom heeft, of anders gezegd, de inwendige weerstand van de buis is zeer groot.
Het verloop van de pentode karakteristieken is getoond in figuur 6  hier beneden.

 

Het is belangrijk te vermelden dat de rechter Ia-Va grafieken gelden voor een bepaalde schermroosterspanning en wel 250 Volt. In de linker Ia-Vg grafiek zien we dat de anodestroom heel sterk wordt bepaald door de schermroosterspanning.
De gestippelde lijnen laten dit duidelijk zien voor een schermroosterspanning van 150 Volt en 300 Volt.
Merk tevens op dat de statische en dynamische Ia-Vg karakteristieken voor een schermroosterspanning van 250 Volt nauwelijks van elkaar verschillen. Deze statische en dynamische karakteristieken zijn verkregen uit de rechter Ia-Va grafieken. De twee Ia-Vg karakteristieken voor een schermroosterspanning van respectievelijk 150V en 300V zijn uiteraard niet hieruit verkregen daar de rechter grafiek alleen geldt voor een schermroosterspanning van 250 Volt.

3.6    De uitvinding en opmars van de transistor
Inleiding
De historie van de uitvinding van de transistor is heel interessant te noemen. Mervin J. Kelly, "Director of Research" van Bell Laboratories stelt zich in 1945 ten doel om het onbetrouwbare telefoon systeem van AT&T drastisch te verbeteren door het te voorzien van electronische schakel elementen en betere versterkers.
Electronenbuizen waren in die tijd door hun grote warmteontwikkeling niet erg betrouwbaar en met name doorgebrande gloeidraden leidde regelmatig tot vervanging van de buizen.

In 1945 werd toen de "Solid State" physica werkgroep opgericht die tot hoofddoel had een "solid state" versterker te ontwikkelen. Met "solid state" werd hier bedoeld al datgene wat met halfgeleider technologie te maken had.
Zo werd in 1947 door John Bardeen en Walter Brattain, die deel uitmaakten van die werkgroep, tijdens hun algemeen onderzoek aan halfgeleidende materialen ontdekt, dat indien men twee metalen punten dicht bij elkaar op een stukje halfgeleidend materiaal plaatst, dit geheel versterkende eigenschappen bezit.
Shockley, onder wiens leiding dit onderzoek werd verricht, heeft daarna, op grond van theoretische overwegingen aangetoond, dat deze eigenschappen ook naar voren kunnen worden geroepen door aan beide zijden van een dun schijfje n-germanium een stukje p-germanium aan te brengen. Wat p-germanium en n-germanium is wordt in hoofdtstuk 3.6.2 duidelijk.
Dit nieuwe versterkelement werd transistor genoemd (samentrekking van transformer en resistor).
Het eerste type noemt men een puntcontact-transistor naar de beide metalen punten die hierbij werden gebruikt en het tweede type wordt lagentransistor genoemd (junction-transistor).

Het eerste type heeft slechts een kort leven gehad, het tweede echter werd daarna in zeer grote aantallen vervaardigd. 
Dat de transistor een zeer snelle verbreiding heeft gevonden is niet zo vreemd, als men bedenkt dat de transistor evenals de elektronenbuis over versterkende eigenschappen beschikt, doch daarentegen veel kleiner is.
Hiermede zijn echter niet alle voordelen van de transistor opgenoemd. Bij de elektronenbuis berust de versterkende werking op de sturing van elektronen die eerst uit de kathode moeten worden vrijgemaakt. In de transistor zijn vrije ladingsdragers al van nature aanwezig, zodat men hier geen uitwendige middelen behoeft toe te passen om deze ladingsdragers vrij te maken.

Een gloeidraad is dus voor de transistor volstrekt overbodig waardoor het rendement van de transistor veel hoger is dan van een elektronenbuis. Verder heeft een elektronenbuis een bepaalde voedingsspanning nodig die in de meeste gevallen hoger is dan enkele tientallen volts. De transistor werkt reeds bij een voedingsspanning van ongeveer 1 volt. De dissipatie in een transistor is, onder andere ten gevolge van de lage voedingsspanning, veel kleiner dan die in een elektronenbuis.
Al deze voordelen gaan echter ook gepaard met enkele nadelige eigenschappen zoals de temperatuurafhankelijkheid van bepaalde eigenschappen van de transistor.
Het is mogelijk hiertegen maatregelen te nemen, maar dit neemt toch niet weg, dat de maximale temperatuur waarbij men de germanium-transistor kan gebruiken in de buurt van de 8o°C ligt. In het geval dat men een siliciumtransistor gebruikt is deze temperatuur ongeveer 150°C.
Een verder nadeel was, vooral in die tijd, de moeilijkheid een transistor te vervaardigen, waarvan de versterkende eigenschappen tot zeer hoge frequenties bruikbaar bleven. Hier is echter in de laatste decennia van de vorige eeuw enorme verbetering in aangebracht mede dank zij sterk verbeterde fabricageprocessen.
Ook een groot nadeel van de transistor is dat hij niet bestand is tegen hoge temperaturen en spanningen. Hoge temperaturen kunnen namelijk leiden tot "thermal runaway" hetgeen inhoud dat door slechte koeling of door een slecht ontwerp van het circuit waarin de transistor wordt gebruikt, de temperatuur zo hoog oploopt dat de versterkingsfacor en de lekstroom toeneemt hetgeen een verhoging van de collectorstroom tot gevolg heeft. 
Hierdoor zal door inwendige dissipatie de temperatuur nog verder stijgen. Zo ontstaat een lawine effect wat uiteindelijk tot volledige vernieling van de transistor leidt.
Hoge spanningen daarentegen kunnen leiden tot overslag tussen grenslagen in de transistor hetgeen tot onmiddelijke vernieling leidt. Ook verhogen hoge spanningen de lekstromen in de transistor waardoor deze uiteindelijk door te hoge temperatuur zal sneuvelen.

3.6.1    Halfgeleiding in germanium en silicium 
Bij de bespreking van het verschijnsel van thermische emissie in de electronenbuis werd al opgemerkt, dat de geleiding in metalen wordt veroorzaakt door vrije electronen. Deze kunnen zich gemakkelijk door het materiaal bewegen, in tegenstelling tot de valentie-electronen in halfgeleiders, die aan bepaalde ionen gebonden zijn.
In geleiders hangt de concentratie van de vrije electronen nauwelijks van de temperatuur af; bij het absolute nulpunt is het aantal vrije electronen nog ongeveer evengroot als bij kamertemperatuur. Halfgeleiders daarentegen zijn bij het absolute nulpunt volmaakte isolatoren; daarin zijn dan namelijk alle electronen op bepaalde plaatsen in het kristalrooster gebonden. Germanium en silicium is een typisch voorbeeld van zo een halfgeleider.
Uit de chemie weten we dat een germaniumatoom bestaat uit een positief geladen kern van 32 protonen met daaromheen 32 electronen in verschillende energiebanen. Zo heeft een siliciumatoom 14 protonen in de kern met daaromheen 14 electronen in verschillende energiebanen waarvan 4 electronen in de buitenste energiebaan aanwezig zijn net als dat bij het germaniumatoom het geval is.
De electronen die in hun eigen banen draaien bezitten energie omdat zij een bepaalde massa in beweging voorstellen.
Ieder electron in zijn relatie tot de eigen atoomkern heeft dus een bepaalde energiewaarde en opereert vanuit een bepaald en duidelijk enegieniveau. Dit energieniveau wordt bepaald door het electron's momentum en zijn fysieke afstand tot de kern.
Hoe dichter het electron bij de kern is, des te groter is de bindingsinvloed van de kern op het electron en des te groter de energie die vereist is om het electron vrij te maken. Evenzo kunnen we zeggen dat hoe verder het electron van de kern verwijderd is, hoe kleiner de invloed van de kern op het electron is.
Electronen in de buitenste baan hebben dus een veel grotere mogelijkheid om van zijn atoomkern los te raken dan de electronen in de binnenste banen. Om deze reden worden de electronen in de buitenste baan valentie electronen genoemd.
De baan waarin de valentie electronen zich bewegen heet de valentie band en het zijn juist deze electronen in deze valentie band die een rol spelen in de verdere discussies over de fysica van de transistor.

Welnu, de 4 electronen in de buitenste energiebaan hebben een dermate lage energiewaarde dat zij vrij gemakkelijk uit deze valentieband kunnen springen. Germaniumatomen en siliciumatomen zijn dus wat we noemen vierwaardig en kunnen kristallen vormen met een tetraëdrisch rooster waarin elk atoom door covalente bindingen aan vier andere is gebonden; aan elke binding werken twee valentie-electronen mee.

De figuur rechts geeft een ruimtelijk beeld van de plaatsing van germanium atomen in een tetraëdrisch rooster.
De bollen stellen de germaniumatomen voor, de stangen die de bollen verbinden zijn de covalente bindingen, aan elk waarvan twee valentie electronen meewerken.

Verhoogt men nu de temperatuur van een halfgeleider boven het absolute nulpunt, dan kunnen tengevolge van de warmtebeweging valentie-electronen uit de covalente binding worden losgeslagen en in "vrije" toestand overgaan. In principe zou op deze manier elke isolator geleidend gemaakt kunnen worden, maar slechts bij de typische halfgeleidermaterialen zoals germanium en silicium wordt reeds bij kamertemperatuur een bruikbare mate van geleiding verkregen. Men zegt, dat de electronen bij het losraken uit de valentiebinding terechtkomen in de geleidingsband. Hiermee bedoelt men het interval van de energieën, die de vrije electronen kunnen hebben. Om een electron uit een valentiebinding in de geleidingsband te brengen, is minstens een energie qE nodig. De kans dat een electron deze energie uit de warmtebeweging opneernt bij een temperatuur T is evenals bij de thermische emissie ook hier weer evenredig met de Boltzmann-factor e-qE/kT.
De waarde van k in de Boltzmann factor is 1,38x10-23 Joule/oC =  8,616x10-5 eV/oC.
Voor zeer zuiver germanium is qE= 0,76 eV, voor silicium 1,12 eV. Bij een kamertemperatuur van 300 oK is kT ongeveer gelijk aan 0,025. 

 

Voetnoot 1:
Voor de physica is de arbeids-eenheid de Joule onpractisch groot. Als energie-eenheid gebruikt men daarom de electronvolt, gedefinieerd als de energietoename van een electron met lading 1,602.10-19 Coulomb dat een potentiaalverschil van 1 Volt doorloopt.  Hieruit volgt dus dat 1 electronvolt = 1eV = 1,602.10-19 Joule.
Voetnoot 2: 
In het vervolg zal alleen het germanium nog ter sprake komen omdat het besprokene ook geldt voor silicium. Indien nodig, wordt silicium specifiek vermeld en behandeld.


Omdat qE dus veel groter is dan kT zal de Boltzmann-factor zeer klein zijn en ook zeer gevoelig voor kleine veranderingen van E of T. Slechts als qE niet veel groter is dan 1 eV kan bij kamertemperatuur reeds een bruikbare concentratie van electronen in de geleidingsband worden verkregen.
Telkens wanneer een electron in de geleidingsband springt, blijft op de plaats waar dit gebeurde een open plek, een zogenaamd gat achter in de bezetting van de valentieelectronen. In volkomen zuiver germanium zal de concentratie ng van deze gaten (dat is het aantal per cm3) gelijk moeten zijn aan de concentratie ne van de vrije electronen. Ook bij aanwezigheid van bepaalde verontreinigingen kan het nog wel voorkomen, dat ne gelijk is aan ng. Zolang dit het geval is, noemt men het germanium een intrinsieke halfgeleider (i-germanium).
Ook de gaten kunnen zich gemakkelijk door het germanium verplaatsen: de open plekken kunnen namelijk telkens opgevuld worden door valentie-electronen van naburige germaniumatomen. Men kan zich deze verplaatsing van een gat aanschouwelijk voorstellen door te denken aan een spel, waarbij men 15 genummerde blokjes over 16 velden moet verschuiven tot ze in de juiste volgorde liggen. De blokjes kan men met de valentie-lectronen vergelijken, het ene open veld met een gat. In verschillende opzichten mag men gaten als positief geladen deeltjes opvatten: ze zullen zich bijvoorbeeld onder invloed van een electrisch veld in een richting tegengesteld aan die van de electronen door het materiaal verplaatsen.
Zodra een gat en een electron enkele atoomafstanden van elkaar verwijderd zijn oefenen ze vrijwel geen aantrekkende kracht meer op elkaar uit: de tussenliggende materie vormt een effectieve afscherming. Men mag daarom wel aannemen, dat vrije electronen en gaten zich onafhankelijk van elkaar door de halfgeleider bewegen.

3.6.2    n en p Germanium
Reeds door toevoeging van uiterst geringe hoeveelheden van bepaalde elementen kan het geleidingsvermogen van germanium sterk worden vergroot. Wanneer atomen van bepaalde toevoegsels met een andere chemische waardigheid dan germanium in het tetraëdrisch rooster plaatsen van germaniumatomen innemen, zullen ter plaatse daarvan te veel of te weinig valentie-electronen aanwezig zijn. Bouwt men bijvoorbeeld 5- waardige atomen in, hetgeen vooral met arseen en antimoon goed lukt, dan is er per atoom een valentie-electron te veel. Dit is nu slechts zwak gebonden aan het atoom en raakt zeer gemakkelijk in de geleidingsband (de excitatie-energie is minder dan 0,1 eV). We mogen wel zeggen, dat bij kamertemperatuur reeds vrijwel alle overtollige valentie-electronen in de geleidingsband zitten. Arseen en antimoonatomen in een germanium-rooster fungeren dus als donors van electronen. Deze electronen laten nu echter geen bewegelijke gaten achter, maar slechts positieve ionen, die vast zitten in het rooster.
De geleiding van germanium met een kleine toevoeging van geschikte 5-waardige atomen wordt daarom hoofdzakelijk door vrije electronen, negatieve ladingsdragers dus, veroorzaakt. Men noemt dit type germanium daarom n-germanium.
Voorziet men het rooster daarentegen van 3-waardige atomen, zoals indium of gallium , dan schiet ter plaatse van deze atomen telkens een electron voor een covalente binding te kort; dit kan echter gemakkelijk door een naburig germanium atoom gefourneerd worden. Zo hebben we een wandelend gat gekregen; de 3-waardige atomen zijn acceptors van electronen, die elders gaten achterlaten. Elk 3-waardig atoom schept op deze wijze een beweeglijk gat, waarbij nu echter geen vrij electron hoort. Zulk een germanium is een gatengeleider, het wordt p-germanium genoemd, omdat gaten immers in vele opzichten met positieve ladingsdragers kunnen worden vergeleken.
We kunnen nu hetvolgende belangrijke resultaat vaststellen: De dotering van een intrinsiek halfgeleidermateriaal verhoogt niet alleen de geleiding, maar produceert ook een geleider waarin de dragers voor de geleiding overwegend gaten zijn of overwegend electronen zijn. In een n-type halfgeleider worden de electronen meerderheidsladingdragers genoemd en de gaten worden minderheidsladingdragers genoemd. In een p-type halfgeleider worden de gaten meerderheidsladingdragers genoemd en de electronen worden minderheidsladingdragers genoemd.

Concentraties van donor- of acceptoratomen van de orde van 1 per 109 germanium atomen bewerken reeds een duidelijke verandering van het geleidingsvermogen. Om p- of n-germanium met goed gedefinieerde donor- of acceptorconcentraties te maken, moet men eerst technisch germanium zeer zorgvuldig zuiveren en er dan weer uiterst kleine hoeveelheden van geschikte "onzuiverheden" aan toevoegen.

3.6.3    De p-n overgang
Op verschillende manieren kan in een germaniumkristal een scherp begrensde overgang van een n-gebied naar een p-gebied worden gemaakt. Soldeert men bijvoorbeeld bij een nauwkeurig bepaalde temperatuur een indiumcontact aan een stukje n-germanium, dan zal bij afkoeling onder de soldeerplaats een dun, scherp begrensd laagje van het germanium tot p-germanium kristalliseren. Er heeft zich namelijk enig indium, dat als acceptor fungeert (3-waardige atomen), met het germanium gelegeerd.
De p-n overgangen in de meeste lagendioden en lagentransistoren met germanium zijn van dit zogenaamde gelegeerde type (alloy junctions).
Een andere manier om in een germaniumkristal een p-n overgang aan te brengen is tijdens de groei uit een smelt. Men laat dan een enkel kristal van germanium eerst een tijdje groeien door het langzaam uit een hoeveelheid gesmolten germanium omhoog te trekken, waaraan bijvoorbeeld een overmaat donor-atomen is toegevoegd. Zo ontstaat dan een kristal van n-germanium, waarin men nu terwijl het groeiproces doorgaat een plotselinge overgang naar p-germanium kan aanbrengen door aan de smelt een overmaat acceptoratomen toe te voegen. Zo wordt een gekweekte p-n overgang (grown junction) verkregen.

Tussen het p- en het n-gedeelte van een p-n overgang heerst een contactpotentiaalverschil dat we ons als volgt ontstaan kunnen denken (zie figuur hiernaast): zodra een p-n overgang is gevormd, zullen gaten van het gatenrijke p-germanium lopen naar het daaraan arme n-germanium, waar ze kunnen recombineren met de daar overvloedig aanwezige vrije electronen of van waaruit ze weer terug kunnen diffunderen naar het p-gedeelte. Omdat nu dus rechts van de grenslaag (in het n-gedeelte) vrije electronen verdwijnen, blijft daar een overschot aan positieve lading van de kristalionen achter; waar links van de grenslaag gaten verdwijnen vormt zich een teveel aan negatieve lading.
De gebieden van tegengesteld ladingsoverschot die zodoende aan weerszijden van de grenslaag ontstaan, vormen samen een dipoollaag, waarin de concentraties van bewegelijke gaten en electronen veel kleiner zijn dan erbuiten. Deze ladingsverdeling is geschetst in de figuur hiernaast.
De grenslaag heeft in de praktijk een dikte van slechts een halve micron. Daar in het gebied van de overgang vrijwel geen mobiele ladingsdragers meer aanwezig zijn, noemt met dit gebied "depletion region".
Bij het grensvlak wordt door deze laag een sterk electrisch veld opgewekt, dat een verdere diffusie van gaten naar rechts tegenwerkt. Dit veld stelt zich nu automatisch zo in, dat gemiddeld per seconde evenveel gaten naar links als naar rechts stromen. Bij dit evenwichtsveld bestaat tussen p- en n-gedeelte het contactpotentiaalverschil Epn (zie figuur hiernaast).
Gaten, die in een p-n overgang van links naar rechts door de grenslaag willen, moeten het potentiaalverschil Epn overwinnen; de fractie van de gaten, die voldoende thermische energie heeft om dit te presteren, is steeds evenredig met de Boltzmannfactor.
Van rechts naar links vloeit ook een gatenstroom: alle gaten, die in het daaraan arme n-germanium tot de grenslaag diffunderen, vallen van de potentiaalberg Epn af. Deze gaten constitueren een stroom waarvan de grootte in eerste instantie niet afhangt van de hoogte van de berg, maar slechts van de gatenconcentratie in het n-germanium. Dit is een verzadigde stroom. Zolang nu onze lagendiode niet met een batterij is verbonden moeten de beide gatenstromen elkaar natuurlijk juist opheffen.
Wordt nu echter over de p-n laag een spanning V aangelegd zodanig dat de p-kant positief is en de n-kant negatief, dan is dit niet langer het geval. Als we afzien van de spanningsval in het germanium ten gevolge van de Ohmse weerstand, wordt de potentiaalsprong aan de grenslaag verminderd met het bedrag V.
Het evenwicht dat aanwezig was in de p-n laag toen nog geen spanning aanwezig was, wordt nu verstoord; gaten gaan nu van het p-germanium naar het n-germanium. Deze gatenstroom neemt zeer sterk met V toe, maar de gatenstroom van het n-germanium naar het p-germanium verandert nauwelijks daar dit een verzadigde stroom is zoals eerder werd opgemerkt.
Deze verzadigde stroom is dus niet afhankelijk van de spanning V maar wel van de temperatuur.
Het essentiele van het karakteristieke gedrag van een p-n overgang is dat het een zogenaamde gelijkrichter of diode constitueert. Deze diode laat dus de stroom maar in een richting door en blokkeert deze in de andere richting.

Voor de electronengeleiding, waarover tot dusverre niets is vermeld om de zaak niet te ingewikkeld te maken, kan nu geheel op dezelfde wijze worden geredeneerd. Door de gatenstroom en electronenstroom bij elkaar op te tellen, vinden we tenslotte de totale stroom. Dit is een stroom die in de doorlaatrichting (V>0) zeer snel met V toeneemt en in de sperrichting (V<0) reeds voor kleine waarden van V de verzadigingsstroom benadert.
Figuur 7 hiernaast illustreert de stroom-spannings karakteristiek van een kleine lagendiode.
Door nu de gatenstroom en de electronenstroom bij elkaar op te tellen vinden we tenslotte voor de totale stroom de volgende vergelijking:
 I = I0(eqV/kT - 1).  Voor T=300°K is q/kT ongeveer 40.
Wordt I0 = 0,3 μA genomen, dan blijkt deze kromme uitstekend aan te sluiten bij de gegeven formule voor de totale stroom.
Een belangrijke parameter waar we bij een diode op moeten letten is de maximale spanning in sperrichting. Wordt deze overschreden dan treedt doorslag op waarbij de p-n overgang wordt vernield. 
Reeds voordat dit doorslagpunt wordt bereikt neemt de stroom in sperrichting sterk toe. Een verklaring hiervoor is dat de thermisch opgewekte ladingsdragers (die immers voor de geleiding in de sperrichting zorgen) zo sterk worden versneld door de aangelegde sperspanning dat ze na doorgang door de grenslaag secundaire electronen en gaten kunnen losslaan; er treedt dus een versnelling van de ladingdragers op. Bij het doorslagpunt wordt de versnellingsfactor "oneindig" groot.
Het moet opgemerkt worden dat de diodekarakteristiek voor een silicium diode iets verschilt van de karakteristiek voor een germanium diode. Ligt de spanning in de doorlaatrichting (bij een gespecificeerde diodestroom) voor een germanium diode 
zo tussen de 0,2 en 0,5 Volt, zo ligt deze voor een siliciumdiode tussen de 0,6 en 0,8 Volt. 
Wat de sperspanning betreft, deze ligt bij siliciumdioden in het algemeen veel hoger dan bij germanium dioden doch de grootte van die spanning is geheel afhankelijk van de opbouw van de diode. Zo worden tegenwoordig siliciumdioden gefabriceerd die een sperspanningen hebben van 1000-2000 Volt terwijl dat vroeger voor germanium dioden maar zo'n 50 Volt was.
Ook zijn diverse parameters van de silicium diode veel minder temperatuurafhankelijk dan die van een germanium diode.

3.6.4    De transistor
Een transistor kan bestaan uit een germanium (of silicium) kristal waarin een laag n-germanium is opgesloten tussen twee lagen p-germanium. Anderzijds kan de transistor bestaan uit een laag p-germanium met aan weerszijden een laag n-germanium. In het eerste geval noemt men de transistor een p-n-p transistor (figuur 8a) en in het laatste geval een n-p-n transistor (figuur 8b).
Figuur 8a en 8b laat, behalve de lagen opbouw van de transistor, ook de gebruikelijke symbolen zien van de p-n-p en n-p-n transistor zoals ze in electronische schakelingen worden gebruikt. 
De drie elementen van een transistor noemt men emitter, basis en collector. De pijl aan de emitter verbinding geeft de stroomrichting weer wanneer de emitter-basis overgang in doorlaatrichting wordt bedreven.

Uitgaande van wat in de vorige sub-paragrafen over halfgeleiding en over het gedrag van p-n overgangen is gezegd, kan nu de werking van de transistor gemakkelijk worden uitgelegd.
Figuur 8c hiernaast geeft schematisch een p-n-p transistor weer. Aan beide p-gedeelten en aan de basis zijn contacten vastgemaakt, welke aan geschikte spanningen worden gelegd. Wordt het linker p-gedeelte, de emitter, enigszins positief gemaakt ten opzichte van de basis, dan gaat net als bij een lagendiode een gatenstroom van links naar rechts door de p-n overgang lopen. Voor zover deze gaten niet weer naar de emitter teruglopen zullen ze zich gemiddeld over enige afstand in de basis verplaatsen alvorens ze daar door geleidingselectronen gevuld worden. Als nu de dikte van de basis veel kleiner is dan de gemiddelde afstand, waarover de gaten in de basis kunnen diffunderen, zullen vele van deze gaten de rechter n-p overgang bereiken.
Wanneer verder het p-gedeelte aan de rechterkant, dat collector wordt genoemd, op een negatieve spanning ten opzichte van de basis wordt gebracht, zullen deze gaten direct door de collector worden opgeslokt. Zodoende wordt dus een gatenstroom afkomstig van bet ene type halfgeleider, dwars door een dunne laag van het andere type getransporteerd. Dit is het beginsel van de werking van de transistor. Omdat eigenlijk twee typen mobiele ladingsdragers (gaten en electronen) voor de geleiding zorgen, noemt men dit type transistor een bi-polaire transistor.
De eigenschap, dat de emitter-basis verbinding stroom levert bij een zeer kleine positieve spanning, welke stroom aan de collector bij een veel grotere negatieve spanning kan worden afgenomen, impliceert nu de mogelijkheid van versterking. 
Omdat de gatenstroom, die de collector bij niet al te kleine negatieve spanning bereikt, een verzadigde stroom is, zal deze slechts zeer weinig door de collectorspanning worden beinvloed (hoge uitgangsimpedantie). 
Net als bij de pentode, waar de anodestroom slechts weinig van de anodespanning afhangt, kan hier een grote spanningsversterking worden bereikt door in de collectorketen een geschikte weerstand op te nemen.
Van de emitterstroom Ie zal een deel αIe in de collector doordringen; de rest, (1-α)Ie, vloeit naar de basis af.
De stroomversterkingsfactor α die in de orde van grootte ligt tussen 0,95 en 0,99 geeft de fractie van de emissorstroom aan die in de collector terecht komt. Bij niet te grote Ie is α ongeveer constant. In het vierpoolmodel van de transistor wordt α de hfb parameter van de transistor genoemd.

Zoals in figuur 8c is te zien, is de basis gemeenschappelijk in zowel het ingangscircuit als het uitgangscircuit. Daarom wordt deze schakeling gemeenschappelijke basis- of geaarde basisschakeling genoemd (common base).
De meest gebruikte schakeling is echter de gemeenschappelijke emitter schakeling welke gunstigere eigenschappen heeft dan de gemeenschappelijke basisschakeling. 
We bekijken nu, in figuur 9 hiernaast, de schakeling met een n-p-n transistor en zullen aantonen dat in de configuratie van gemeenschappelijke emitterschakeling (common emissor) stroomversterking plaats vindt. Voor het moment is Rb en Rc nul.
We zagen eerder bij de gemeenschappelijke basis schakeling dat: IC = hfb.IE   Verder geldt dat IE = IB + IC
Uit beide vergelijkingen volgt: IC = hfb(IB + IC) = hfb.IB + hfb.I   Dus: IC(1 - hfb) = hfb.IB
IC/IB = hfb/(1 - hfb).    Men noemt nu in het vierpoolmodel van de transistor de term hfb/(1 - hfb) de stroomversterkingsfactor hfe van de transistor in gemeenschappelijke emitter schakeling.
Veronderstel dat hfb gelijk is aan 0,98 dan is de stroomversterking hfe dus 0,98/(1-0,98) = 49. We zien dus dat een aanzienlijke stroomversterking optreedt. 

Ter illustratie laten we in figuur 10 nog de Ic-Vce karakteristiek zien van een veel gebruikte silicium n-p-n transistor type 2N2222A.
We gebruiken daarvoor de gemeenschappelijke emitter schakeling van figuur 9 waarin Vcc 10 Volt is en de belastingsweerstand Rc 330 Ω is.
Merk op dat we ook hier weer in analogie met de electronenbuis de belastingslijn kunnen tekenen om zodoende het instelpunt van de transistor te bepalen.
Verder moet opgemerkt worden dat bij hogere collectorspanningen de karakteristieken omhoog gaan lopen. Dit komt doordat bij hogere collector-emitter spanning de hfb (α) niet meer constant is maar toeneemt en dus ook de hfe sterk toeneemt.
Nemen we bijvoorbeeld aan dat  hfb toeneemt van 0,995 tot 0,996 (0,1%) wanneer Vce toeneemt van enkele Volts tot 10 Volt. 
De stroomversterkingsfactor hfe verandert dan van 0,995/(1-0,995) = 200 tot 0,996/(1-0,996) = 250.  Een toename van 25% dus.

Voor de volledigheid vermelden we nog dat ook een gemeenschappelijke collector schakeling mogelijk is.
Op dezelfde wijze kunnen we afleiden dat de stroomversterkingsfactor  hfc = IE/IB gelijk is aan : 1/(1 - hfb).
Is nu bijvoorbeeld hfb gelijk aan 0,98 dan is hfc = 1/(1 - 0,98) = 50.


3.7  Hybrid circuits
Een hybid circuit is een schakeling waarbij de componenten, die ontdaan zijn van hun reguliere behuizing, op een keramische drager gemonteerd zijn. Zo is de transistor een enkel chip, de weerstand wordt opgedampt en de condensator heeft geen aansluitdraden meer maar contactvlakken. Daar waar een hoge betrouwbaarheid vereist is, wordt de  keramische drager in een metalen behuizing gemonteerd, vacuum getrokken en daarna hermetisch gesloten. De aansluitdraden worden naar buiten gevoerd door middel van glazen doorvoeren (feed thru).
De foto laat zo'n hybrid zien (1980). Duidelijk zijn de aansluitdraden van de transistoren en dioden te zien. 
Ook zijn de zwarte opgedampte weerstanden te zien waarbij de streepjes in de weerstanden laten zien dat deze met behulp van een laserstraal op de juiste weerstandswaarde zijn getrimd.
Als U op deze hybrid proces link klikt, verschijnt een specifieke hybrid productie proces flow. Het is een proces uit 1980 maar het basis proces kan op de dag van vandaag nog steeds toegepast worden.
De procesflow laat de eigenlijke opbouw van het hybrid zien tijdens het productie proces.
Op een kaal substraat (aluminiumoxide Al2O3) worden eerst de goud verbindingen tussen de verschillende componenten aangebracht. Daarna worden middels enkele "print" gangen de weerstanden geplaatst. Vervolgens worden de componenten geplaatst en de chips verbonden. Vervolgens wordt het hybrid in een behuizing geplaatst, het hybrid verbonden met de aansluitdraden van de behuizing en het dekseltje met behulp van een zogenaamde "seam weld" op de behuizing gelast.
Het is duidelijk dat het hier gaat om een hybrid waaraan zeer hoge eisen ten aanzien van de betrouwbaarheid worden gesteld. Dit hybrid werd dan ook toegepast in een implanteerbare hartstimulator (pacemaker).

Het is begrijpelijk dat met deze techniek een enorme ruimtebesparing kon plaats vinden, dit in tegenstelling tot de toen gebruikte printplaten. Doch, tegenwoordig worden ook de printplaten steeds kleiner door toepassing van de Surface Mount Devices (SMD). SMD zijn eigenlijk componenten zonder aansluitdraden maar met contactvlakken waarmee ze op een printplaat met zo'n zelfde contactvlakken gesoldeerd kunnen worden.  
Een verder streven naar miniaturisering leidde uiteindelijk tot het geïntegreerde circuit.


3.8  Geïntegreerde circuits (IC's)
Een geïntegreerd circuit is een electronische schakeling die niet zoals vroeger bestond uit discrete losse componenten op een printplaat, maar waar alle active zowel als passieve componenten geïntegreerd zijn op een plaatje silicium. Dit plaatje (chip) kan dan in een passende keramische of plastic behuizing met aansluitdraden geplaatst worden. Voor massaproductie is het natuurlijk hoogst onrendabel om steeds losse IC's te maken. Daarom worden op een plak silicium meerdere identieke geïntegreerd circuits aangebracht, men noemt zo'n plak een "wafer". Zo kunnen, afhankelijk van de complexiteit van het IC en de grootte van de wafer, wel duizenden IC's op een wafer ondergebracht worden die dan in een keer met dezelfde processen geproduceerd en getest worden.

Een geïntegreerd circuit kan geproduceerd worden met dezelfde processen waarmee losse transistoren en dioden worden gefabriceerd. Deze processen omvatten: epitaxiale groei, "masked impurity" diffusie, oxide groei en oxide etsen waarbij gebruik wordt gemaakt van fotolithographie. 
Hoewel dit vrij complexe processen zijn zal toch worden geprobeerd deze processen op een vrij simpele manier te beschrijven. Het gaat er immers om enig inzicht te krijgen hoe deze kleine componenten met micro structuren, en zelfs nu met nano structuren, vervaardigd worden en welke technologieen hier achter zitten.
Nog een goede reden om het simpel te houden is dat de fabricagestappen en de processen zelf de laatste tientallen jaren continu veranderd zijn, dit om nog kleinere chips met een nog hogere betrouwbaarheid te kunnen fabriceren.

3.8.1  IC Technologie
De fabricage van IC's is gebaseerd op gedegen kennis van materialen, processen en ontwerp principes die allen garant staan voor een hoogstaande IC technologie.
Voordat we echter de individuele processen gaan bespreken, zullen we eerst aan de hand van een voorbeeld IC de basisstructuur van dit geïntegreerd circuit laten zien dit om een beter beeld te krijgen wat de verschillende processen bewerkstelligen.
De basisstructuur van ons voorbeeld IC, zoals getoond in figuur 12 hieronder, bestaat uit vier specifieke lagen. De onderste laag (A) bestaat uit p-type silicium en doet dienst als substraat (drager) waarop het IC wordt opgebouwd.
Deze laag is in dit voorbeeld 6 mils dik. In de IC technologie is het gebruikelijk om afmetingen van IC's uit te drukken in mils, zo is 1 mil = 0,001 inch = 25,4 μm.
De tweede laag (B) bestaat uit 15 μm dik n-type materiaal dat verkregen wordt door epitaxiale kristal groei op het substraat.
Hoe deze groei plaats vindt, zien we later.
In deze epitaxiale laag worden nu alle actieve en passieve componenten aangebracht door middel van diverse diffusie stappen.
Deze componenten, welke transistoren, dioden, condensatoren of weerstanden kunnen zijn, worden verkregen door diffusie van p-type en n-type verontreinigingen. Bij de fabricage van deze componenten is het uitermate belangrijk om tijdens het diffusie proces de verontreinigingen in precies gedefinieerde gebieden te distribueren.
Deze selectieve diffusie van verontreinigingen wordt mogelijk gemaakt door een laag siliciumdioxide (SiO2) dat een soort barrière vormt die voorkomt dat verontreinigingen doordringen in delen van de wafer waar die niet gewenst zijn.
Dit is dus de derde laag (C) in het proces. Deze SiO2 laag heeft nog een belangrijke functie en wel het beschermen van de wafer tegen oppervlaket contaminatie. 




















In die gebieden nu waar de diffusie moet plaats vinden, wordt de SiO2 laag wegge-ets. Om dit selectieve etsen mogelijk te maken, wordt gebruik gemaakt van een fotolithographisch proces dat later besproken zal worden.
Uiteindelijk wordt nu een vierde laag (D) aangebracht die bestaat uit aluminium en zorgt voor de interconnecties tussen de verschillende componenten. In ons voorbeel bestond het circuit, zoals de figuur hierboven laat zien, uit een weerstand, twee dioden en een transistor en vijf aansluitpennen. 
Het hierboven beschreven IC wordt een monolithisch IC genoemd omdat het gevormd is uit een enkele silicium chip. Het woord "monolithic" is afgeleid van de griekse woorden monos hetgeen "enkele" betekent en lithos dat "steen" betekent.

3.8.2.   IC Proces beschrijving                                                                                                   
In dit hoofdstuk worden de processen beschreven die noodzakelijk zijn om IC's te produceren.
Figuur 13a tot en met figuur 13e hieronder kunnen geraadpleegd worden om een beter inzicht te verkrijgen in de processen en wat deze processen behelzen.

3.8.2.1   Substraat fabricage process
Een fijn siliciumkristal wordt op een staaf geplaatst die men vervolgens in een vat met gesmolten silicium laat zakken waar p-type verontreinigingen aan toegevoegd zijn. Terwijl de staaf zeer langzaam onder streng gecontroleerde condities uit het vat wordt getrokken, groeit deze aan tot een ingot van p-type kristal. De ingot wordt vervolgens in dunne plakjes (wafers) gezaagd die dan aan een kant gevlakt en gepolijst worden, dit om oppervlakte oneffenheden weg te werken.

3.8.2.2   Epitaxiaal groeiproces  (zie figuur 13a) Op het substraat wordt nu een 15μm dikke laag van n-type materiaal aangebracht. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van een epitaxiaal groeiproces.
Dit epitaxiaal groeiproces bestaat uit de volgende stappen:
Een precies gedefinieerd mengsel van reactief gas en een laag geconcentreerd edelgas wordt met een zeer nauwkeurige stromingssnelheid een reactiekamer binnengeleid waar het bij een temperatuur van 1200°C over het substraat wordt geleid.
Het gasmengsel bevat, behalve het gewenste n-type doteringsmateriaal, ook een daarvoor geschikte silicium verbinding zoals siliciumtetrachloride (SiCl4). De reactieven in het gas gaan nu een verbinding aan met het oppervlak van het substraat en het silicium groeit verder aan met de silicium atomen en doteringsatomen uit het gasmengsel.
De chemische reactie die de epitaxiale groei van puur silicium beschrijft is de waterstof reductie van 
siliciumtetrachloride:  SiCl4 + 2H2  <==>  Si + 4HCl                        
De structuur van de aldus gevormde laag is een voortzetting van de structuur van het oppervlak van het substraat.
De bij-producten van de chemische reacties worden nu uit de reactiekamer verwijderd. Na polijsten en reinigen van de laag laat men op het totale oppervlak van de wafer een 0,5μm dikke siliciumdioxide (SiO2) laag groeien. Dit vindt plaats door de epitaxiale laag bloot te stellen aan een stoom atmosfeer bij een temperatuur van 1000°C. Siliciumdioxide heeft de eigenschap dat het de diffusie van verontreinigingen door het siliciumdioxide voorkomt. Van deze eigenschap wordt gebruik gemaakt in de volgend stappen.

3.8.2.3   Isolatie diffusie  (zie figuur 13b)
In figuur 13b zien we dat de SiO2 laag op vier plaatsen op het oppervlak is verwijderd. Dit gebeurt door middel van een fotolithografisch ets proces voordat de eigenlijke diffusie plaats vindt. Het resterende SiO2 materiaal doet dienst als een masker voor de diffusie van p-type verontreinigingen. 
Het plaatselijk verwijderen van de SiO2 laag kan men het best vergelijken met het weg-etsen van koper op een printplaat.
Het totale oppervlak van de wafer nu, wordt ook hier met een fotogevoelige laag bedekt. Een op schaal vergroote zwart-wit tekening van het gewenste openingen patroon in het SiO2 wordt nu gemaakt en fotografisch verkleind. Dit negatief masker met de vereiste afmetingen wordt nu over de fotogevoelige laag geplaatst en belicht met UV licht. Op die plaatsen waar het UV licht de fotogevoelige laag heeft belicht wordt deze gepolymeriseerd. 

Opmerking: Bij het steeds kleiner worden van de structuren op de chip zal het duidelijk zijn dat belichten met UV licht op een gegeven moment niet meer mogelijk is daar de afstanden van de patronen op de chip de golflengte van het gebruikte licht benaderen. Dit geeft resolutieproblemen.
Voor afmetingen in het sub-micron gebied past men nog wel de vrij dure röntgen-lithografie toe.
Een alternatieve oplossing is gebruik te maken van electronenstraal lithografie (E-beam lithography) waarmee men zelfs direct op de chip kan schrijven. De nieuwste ontwikkelingen zijn gaande op het gebied van laser lithografie waar zelfs resoluties van 10 nanometer gehaald kunnen worden.
  
Het masker wordt nu verwijderd en de wafer wordt "ontwikkeld" hetgeen betekent dat met behulp van een chemisch oplosmiddel de niet belichtte fotogevoelige laag wordt verwijderd.
De chip wordt nu geheel ondergedompeld in een ets vloeistof die het SiO2 daar weghaalt waar geen fotogevoelige laag meer zit, dus op die plaatsen waar straks de diffusie moet plaats vinden. Na diffusie van verontreinigingen wordt de gepolymeriseerde filmlaag  weggehaald met behulp van een chemische oplossing gekoppeld aan een mechanisch abrasie process.

Het meest belangrijke process in de IC fabricage is het diffusie proces dat plaats vindt bij 1000°C. Voor de reproduceerbaarheid van het proces moet deze temperatuur binnen 1 à 2°C constant worden gehouden. 
Een mengsel van metaaldamp die de p-type verontreiniging bevat en een inert gas, stikstof bijvoorbeeld, wordt nu naar de wafer geleid. De stikstof in het gasmengsel brengt nu de p-type verontreinigings atomen naar het oppervlak van de wafer waar zij in het n-type silicium kunnen diffunderen tot zij de p-laag bereikt hebben. Zo verkrijgen we de drie grijze geïsoleerde n-type gebieden zoals deze te zien zijn in figuur 13b.
Deze gebieden worden isolatie-eilandjes genoemd omdat zij gescheiden zijn door twee "back-to-back" p-n overgangen met het voornaamste doel een electrische scheiding teweeg te brengen tussen de verschillende componenten.
Het p-type substraat moet altijd op een negatief potentiaal gehouden worden ten opzichte van de isolatie-eilandjes, dit om de p-n overgangen in sperrichting te houden. Als deze p-n overgangen in doorlaatrichting zouden staan, had de hele isolatie geen enkel effect. 
Het moet nog opgemerkt worden dat de concentratie van het p-type materiaal in de gebieden tussen de isolatie-eilandjes, in het algemeen veel hoger is dan in het p-type substraat. Daarom zijn deze gebieden dan ook aangeduid met p+.
De reden voor deze hogere concentratie is om te voorkomen dat het depletie gebied van de in sperrichting isolatie-substraat overgang, in het p+ materiaal doordringt en zo de isolatie zou "kortsluiten".

Een geavanceerde techniek waarmee ook een gewenste dotering zeer nauwkeurig kan worden aangebracht is de zogenaamde ionen-implantatie. Vanuit het oogpunt van procestechniek gezien, is het kenmerkende van ionen-implantatie dat het een koud proces is dit in tegenstelling tot het boven beschreven diffusieproces dat plaats vindt bij een temperatuur van 1000°C.
Dit voordeel gecombineerd met de mogelijkheid zwaarte en profiel van de dotering goed te definiëren, maakt dat men deze techniek bij voorkeur toepast voor de fabricage van de modernste hoog-qualitatieve geïntegreerde schakelingen.
Bij ionen-implantatie wordt de wafer in een geëvacueerde ruimte gebombardeerd door de in een electrisch veld versnelde geïoniseerde atomen van het gewenste doteringsmateriaal. Door de energie van de ionen te regelen kan men nu heel nauwkeurig de penetratiediepte bepalen. 
Ionen-implantatie is een zeer dure techniek die echter voor de fabricage van MOS schakelingen onontbeerlijk is. MOS staat voor "Metal Oxide Semiconductor". Deze MOS componenten zullen later heel even aangestipt worden daar zij vrij markante voordelen hebben ten opzichte van de transisitor en derhalve heel veel in digitale schakelingen zoals contollers, micro-processoren en memory devices gebruikt worden.

3.8.2.4   Basis diffusie
 Gedurende dit proces wordt, zoals eerder beschreven, een nieuwe laag SiO2 over de wafer gelegd en het fotolythografisch proces wordt weer gebruikt om het openingenpatroon in het SiO2 te maken zoals aangegeven in figuur 13c.
Door deze openingen worden middels diffusie met p-type verontreinigingen de anoden van de dioden gevormd, de weerstand en het basisgebied voor de transistor. Het is belangrijk om de diepte van de diffusie goed te beheersen zodat deze niet tot in het substraat doordringt.

3.8.2.5   Emitter diffusie
Weer wordt nu een nieuwe laag SiO2 over het gehele oppervlak van de wafer gevormd en het fotolythografisch proces wordt opnieuw gebruikt om gatenpatronen in het SiO2 te maken. Dit zijn vijf openingen zoals te zien is in figuur 13d.
Door deze openeingen vindt nu diffusie plaats met n-type verontreinigingen om zo de emitter van de transistor te vormen en tevens de kathodegebieden van de dioden. Additionele openingen worden vaak in de n-gebieden gemaakt om verbindingen te maken (zie W1 en W2 in figuur 13d). Gedurende de diffusie met fosfor in dit geval, worden op die plaatsen waar contact met het aluminium verbindingsmateriaal gemaakt moet worden, vrij sterk geconcentreerde n-gebieden aangebracht, aangeduidt met n+.
Aluminium is een p-type verontreiniging in het silicium en een grote concentratie fosfor voorkomt de vorming van een p-n overgang als het aluminium wordt aangebracht om de doorverbindingen te maken.

3.8.2.6   Aluminium metalisatie 
Alle p-n overgangen en de weerstand zijn nu gevormd middels de in het voorgaande beschreven processen. Nu is het nog noodzakelijk om de verschillende componenten van het IC met elkaar te verbinden. Om deze verbindingen te maken wordt nu voor de vierde keer een gatenpatroon gemaakt in de nieuw aangebrachte SiO2 laag. 
De gaten komen op die plaatsen waar verbindingen gemaakt moeten worden. De gehele wafer wordt nu middels een opdampproces met een laagje aluminium bedekt en het fotografisch ets proces wordt gebruikt om de niet gewenste gebieden in het aluminium weg te etsen zodat het verbindingspatroon volgens figuur 13e wordt verkregen. Nadat het metalisatieproces is voltooid, wordt de wafer met een soort diamantsnijder gekrast en gebroken om de individuele chips te verkrijgen. 
Een voorbeeld van een complete wafer is te zien op de foto hieronder terwijl de inzet een gedeelte van de chip op de wafer laat zien. Duidelijk zijn de vierkante pads te zien waar de aansluitdraden worden bevestigd. Ook zijn de scheidingslijnen tussen de afzonderlijke chips duidelijk te zien.

Verder laat deze chipfoto een iets complexere chip zien waarbij het hoogstwaarschijnlijk gaat om een microprocessor chip uit de jaren 80 van de vorige eeuw. De vrij uniforme gebieden in het centrum van de chip zijn de geheugen elementen van de processor (RAM en ROM).









3.9  Veldeffect transistoren
De veldeffecttransistor is een halfgeleider component waarbij het transport van ladingsdragers bepaald wordt door een electrisch veld. Omdat bij deze componenten de geleiding uitsluitend door meerderheidsladingdragers plaats vindt, spreekt men van een unipolaire transistor.
Er zijn nu twee soorten veldeffect transistoren, de "Junction Field Effect Transistor" afgekort JFET of gewoon FET en de "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor" afgekort MOSFET.
Beide typen zullen nu heel summier behandeld worden om toch het hele "transistor" plaatje compleet te maken. Bovendien hebben field effect transistoren enkele markante voordelen ten opzichte van de bipolaire transistor welke toch het vermelden waard zijn. Deze voordelen zijn:
1) De werking van de veldeffect transistor hangt alleen af van meerderheidsladingdragers. Veel parameters zijn daarom veel minder temperatuur afhankelijk.
2) Fabricage is veel eenvoudiger en schakelingen nemen veel minder chipruimte in beslag.
3) Hoge ingangsimpedantie in de orde van 1010 Ω.
4) Kan gebruikt worden als een symmetrische bilaterale schakelaar.
5) Door middel van lading opgeslagen in een kleine interne chip condensator kan de veldeffect transistor dienst doen als geheugen element.

3.9.1  De JFET
De opbouw nu van een n-kanaal JFET (n-channel JFET) is schematisch voorgesteld in figuur 14a. Een blokje n-materiaal is voorzien van twee aansluitingen. Aan de bovenkant van het n-silicium is een laag p-materiaal aangebracht eveneens voorzien van een aansluiting.
Bij een p-kanaal JFET is het gebruik van de materialen juist omgekeerd. We zullen hier echter alleen de n-kanaal versie behandelen.

Als men tussen de aansluitingen van het n-kanaal een spanning aansluit (zie figuur 14b) kan er in principe een electronenstroom (meerderheidsladingdragers) lopen. Het kanaaluiteinde waar de ladingdragers vertrekken noemt men de source en het uiteinde waar ze afgevoerd worden noemt men de drain
Het op het n-materiaal aangebrachte p-gebied wordt de gate genoemd. We hebben eerder bij de bipolaire transistor gezien dat bij een p-n overgang rondom de grenslaag een depletiegebied ontstaat, waarvan de breedte afhangt van de spanning over de overgang.
Tevens weten we dat de laag zich overwegend uitstrekt over het lichts gedoteerde gebied. 
Nu wordt het gategebied relatief zwaar gedoteerd (p+) hetgeen tot gevolg heeft dat de depletielaag grotendeels in het kanaalgebied komt te liggen.
Op de overgang (junctie) tussen kanaal en gate wordt bij normaal gebruik een sperspanning aangesloten (zie figuur 14b).

Beschouwen we nu het geleidingsvermogen van het kanaal in de richting source-drain. De depletielaag bevat geen vrije ladingdragers. Dit impliceert dat het voor de geleiding beschikbare materiaal in feite slechts het deel van het n-gebied is buiten de depletielaag. Een vergroten van de junctiesperspanning zal dus het depletiegebied verder vergroten en de geleiding neemt af.
Omgekeerd neemt door een verkleining van de junctiespanning de geleiding toe. Men is dus in staat om door middel van de spanning op de gate de stroom tussen source en drain te regelen.
Ten gevolge van de tussen drain en source aangebrachte spanning VDS is de spanning over de junctie ter plaatse van de drain groter dan ter plaatse van de source. Met andere woorden, de potentiaal van de gate ter plaatse van de drain is groter dan ter plaatse van de source wat resulteert dat de grenslijn van het depletie gebied niet meer parallel loopt aan de lengte-as van het kanaal maar is gekromd zoals te zien is in figuur 14a.
Bij een bepaalde combinatie van VGS en VDS zal de depletielaag bij de drain zich uitstrekken over de gehele diepte van het kanaal (n-gebied) en kan er geen stroom meer lopen. Men noemt dit "pinch-off". De spanning  VGS ,waarbij bij een gegeven waarde van VDS pinch-off optreedt, heet de pinch-off spanning. 
Laat men nu VDS toenemen dan zal de stroom sterk toenemen totdat de verzadigingsstroom is bereikt. Figuur 14c laat de karakteristiek zien van een n-channel JFET.

3.9.1.1  Fabricage van de JFET
Figuur 15a laat het bovenaanzicht zien van de geometrie van een JFET terwijl figuur 15b de dwarsdoorsnede laat zien in het vlak AA. Het substraat bestaat uit p-materiaal waarop epitaxiaal een n-type kanaal wordt gegroeid.
Een p-type gate wordt nu gevormd door diffusie in dit n-type kanaal waarbij de p-type gate zwaar gedoteerd wordt (p+) waardoor de depletielaag gemakkelijk tot in het n-type kanaalgebied kan doordringen.











3.9.2  De MOSFET
Bij de JFET zagen we dat een electrisch veld tussen gate en kanaal wordt aangebracht via een p-n overgang. Een wezenlijk ander field effect device wordt verkregen door gebruik te maken van een gate electrode die van het kanaal gescheiden wordt door een oxide laag. Door nu een externe spanning aan te leggen tussen de gate en het substraat kan het zo ontstane electrisch veld het kanaal beïnvloeden. We noemen zo'n device een MOSFET welke van veel grotere importantie is dan de JFET omdat de MOSFET veel kleiner gefabriceerd kan worden, het stroomverbruik veel lager is en de MOSFET transistor op een veel hogere frequentie kan werken.
Dit alles is uitermate belangrijk in de tegenwoordige generatie microprocessoren en geheugen chips.

Er zijn nu twee typen MOSFETs, de "depletion" MOSFET en de "enhancement" MOSFET. Van beide typen kan er een p-kanaal en een n-kanaal variant zijn. Men kan dus vier typen MOSFET transistoren onderscheiden zoals onderstaande figuur laat zien.



Merk op dat bij de n-kanaal en p-kanaal enhancement MOSFET, de p+ en n+ gebieden volledig zijn geïsoleerd dit in tegenstelling tot de n en p-kanaal depletion MOSFET. Bij deze depletion devices zijn de drain en source met elkaar verbonden door een door diffusie verkregen smal kanaal van hetzelfde type als de drain en source. 
Dit veroorzaakt dat bij een VGS van 0 Volt toch reeds een stroom zal lopen van drain naar source.
Om het verder eenvoudig te houden zal, wat werking en fabricage van de MOSFET betreft, alleen de n-kanaal enhancement MOSFET besproken worden.

3.9.2.1  De n-channel enhancement MOSFET
In rusttoestand, wanneer geen spanningsbronnen aan de MOSFET zijn aangesloten, vormt het p-substraat met de n+ source en n+ drain een p-n overgang. Daardoor ontstaat een depletion gebied zoals aangegeven in figuur 17a hiernaast.
Doordat de drain en source gescheiden zijn door twee back-to back p-n overgangen, is de weerstand tussen drain en source zeer hoog (1012 Ω). Wanneer nu een positieve spanning wordt aangelegd tussen gate en source en nog geen spanning tussen drain en source (zie figuur 17b), zullen de gaten die zich onder het gate gebied bevinden, dieper het p-substraat ingedreven worden terwijl voor de electronen juist het omgekeerde geldt. Vlak onder het gate oppervlak ontstaat daardoor een zeer dunne laag waarin zich uitsluitend electronen als vrije ladingdragers bewegen. Men noemt deze situatie "inversie". Het laagje heeft namelijk het karakter van n-materiaal gekregen.
De gatespanning waarbij er significant een geleidend kanaal ontstaat wordt de drempelspanning (threshold voltage) genoemd.
Wordt nu tussen drain en source een positieve spanning aangelegd (zie figuur 17b) dan zal er, tenminste als VGS groter is dan de drempelspanning, een drainstroom ID gaan lopen. Het is nu ook duidelijk waar de benaming enhancement MOSFET vandaan komt, namelijk, als VGS = 0 Volt zal er geen drainstroom lopen. Waarden van VGS groter dan 0 Volt leiden tot verrijking (enhancement) van het kanaal. Dit dus in tegenstelling tot het depletion type MOSFET waarbij er wel degelijk een drainstroom loopt als VGS = 0 Volt. Door VGS  negatief te maken kan men het kanaal verarmen (depletion) of zelfs helemaal leeg maken. 
Figuur 17c laat de ID-VDS karakteristiek zien van een n-channel enhancement MOSFET met VGS als parameter.

3.9.2.2  Fabricage van de n-channel enhancement MOSFET

Op een p-type substraat wordt een SiO2 laag gegroeid die daarna op twee plaatsen door etsen open gemaakt wordt. 
Door deze openingen vindt diffusie van n materiaal plaats voor het vormen van het drain en source gebied. Een dikke laag SiO2 wordt daarna weer over de chip aangebracht en een tweede ets proces resulteert nu in 3 openingen in het SiO2. Zie figuur hiernaast.
In de middelste opening, daar waar de gate moet komen, brengt men nu een heel dunne laag SiO2 aan die dienst doet als de gate oxide laag. Een derde masker zorgt ervoor dat het oxide weg- geets kan worden daar waar de source en drain gebieden moeten komen.
Daarna wordt een laag aluminium opgedampt die daarna plaatselijk wordt weg-geetst om de verbindingen te maken met gate, drain en source. 
De term "metal" in de naam van de Metal Oxide Semiconductor FET is tegenwoordig enigszins misplaatst. Vroeger was het gate materiaal inderdaad aluminium maar tegenwoordig is dit materiaal polysilicon (gekristaliseerd puur silicium). De reden hiervoor is dat polysilicon de mogelijkheid biedt om zogenaamde "self-aligned" gates te produceren. 
In de conventionele fabricage van een metal-gate MOS is een additionele masker stap nodig om de gate precies uit te lijnen met de source en drain die dan al reeds zijn gevormd. 
Een overlap van 0,2 mil is vereist om te waarborgen dat de gate zich uitstrekt van de source naar de drain gebieden. Deze overlap vergroot echter de capaciteit tussen gate en source maar ook die tussen gate en drain. Deze capaciteiten verlagen de frequentie waarop het device kan werken en verhogen het stroomverbruik. 
De zogenaamde "self-aligned" MOSFET structuur kan nu dit probleem grotendeels oplossen. Het idee van de "self-aligned" MOSFET schuilt hierin dat een vóór gedefinieerde gate wordt gebruikt als masker voor de diffusie stappen. De gate wordt dus reeds gevormd voordat de diffusie van de source en drain plaats vindt, daarna vindt met hetzelfde masker de diffusie plaats van source en drain.
De grote uitdaging om de "self-aligned" structuur te kunnen gebruiken is de keuze van het gate materiaal. Om dit te bepalen moeten we eerst kijken welke doterings technieken ter beschikking staan. Dit zijn diffusie en ionen implantatie.
Diffusie vereist echter een temperatuur van 1000°C. Hoewel ionen implantatie kan plaats vinden bij een veel lagere temperatuur (200°C) zal toch de kristalbeschadiging, die optreedt door de hoge energie ionen, gerepareerd moeten worden door middel van een "annealing" proces dat plaats vindt bij een temperatuur van 800°C. Het tot die tijd (1970-1980) gebruikte traditionele materiaal aluminium zal echter bij een temperatuur groter dan 500°C in het gate oxide materiaal diffunderen zodat men op zoek moest gaan naar een ander gate materiaal. Het bleek nu dat gedoteerd polysilicon het beste materiaal was omdat het de hoge anneal temperatuur doorstond en bovendien even gemakkelijk te oxideren bleek als als silicium.
De dotering van het polysilicon wordt trouwens gedaan om een betere geleidbaarheid te verkrijgen.

3.9.3  De complementaire MOSFET

Het is mogelijk om p-channel en n-channel enhancement MOSFET devices op een en dezelfde chip aan te brengen. 
Zulke devices worden complementaire MOSFETs genoemd beter bekend onder de naam CMOS.
De schematische voorstelling van zo'n CMOS device is weergegeven in figuur 18a hiernaast. Zoals te zien is bestaat het circuit uit een p en een n-channel MOSFET die zodanig inwendig met elkaar verbonden zijn dat drain1 (D1) aan drain2 (D2) ligt.
Zo ook zijn de gates G1 en G2 met elkaar verbonden. Op de G1-G2 verbinding wordt de ingansspanning aangesloten waarbij de verbinding D1-D2 de uitgang van het circuit is. De ingangsspanning kan varieren tussen 0V en +VDD. Als Vi = 0V zal Q1 gesperd zijn daar VGS1 = 0 Volt. Q2 daarentegen zal volledig geleiden omdat VGS2 gelijk is aan -VDD.
Daar VDS2 = 0V zal de uitgangsspanning Vo gelijk zijn aan +VDD. Wanneer nu de ingangsspanning Vi  gelijk is aan +VDD zal VGS1 ook gelijk zijn aan +VDD waardoor Q1 volledig zal geleiden. Daar VGS2 nu gelijk is aan 0V zal Q2 gesperd zijn.
De uitgangsspanning Vo is dus gelijk aan 0V. 
We kunnen dus zeggen dat het hier beschreven CMOS device zich gedraagt als een inverter.
De transfer karakteristieken van deze inverter zijn opgenomen voor drie verschillende voedingsspanningen +VDD te weten 5, 10 en 15V en zijn te zien in figuur 18c.

3.9.3.1   De fabricage van de CMOS inverter
Het fabricageproces begint met een n-type substraat waarin door diffusie een zogenaamd p-well gebied wordt gevormd.
De NMOS transistor Q1 wordt nu gevormd in dit p-well gebied terwijl PMOS transistor Q2 in het n- substraat wordt gevormd. Figuur 18b hierboven geeft de structuur op een vereenvoudigde wijze weer.
In werkelijkheid is deze structuur echter geheel anders, dit om de zogenaamde CMOS latch-up ten alle tijde te voorkomen.
Met latch-up wordt een toestand bedoeld waarin zowel de p-MOSFET als de n-MOSFET geleidend zijn. Dit betekent in de meeste gevallen een complete burn-out van de chip. Hoe kan nu zo'n latch-up situatie onstaan? Daartoe bekijken we figuur 19a waarin in rood twee parasitaire transistors Q1 en Q2 getekend zijn. We zien dus dat de verschillende p en n gebieden in het CMOS device de mogelijheid scheppen om parasitaire transistoren te vormen. Zo kan de emitter van transistor Q1 de p+ gebieden zijn van de p-MOSFET en de basis van Q1 kan gevormd worden door het n- substraat. De collector van Q1 wordt gevormd door de p-well.
Een identieke configuratie kan opgezet worden voor transitor Q2. Hierin zijn de n+ gebieden van de n-MOSFET de emitter van Q2 en de basis van Q2 wordt gevormd door de p-well. De collector tenslotte wordt gevormd door het n- substraat. 
De weerstand RN- is de weerstandsverbinding gevormd door de basis van Q1 en de collector van Q2 naar VDD toe.
De weerstand RP- is de weerstandsverbinding gevormd door de collector van Q1 en de basis van Q2 naar VSS toe.
Dit hele parasitaire circuit is schematisch voorgesteld in figuur 19b waarin we duidelijk kunnen zien dat latch-up kan optreden door een spanningspiek op VDD of op punt A. Door deze spanningspiek zal een zeer kleine lekstroom gaan lopen in de collector van Q1 die weer als basisstroom dient voor transistor Q2. Hierdoor zal Q2 gaan geleiden en daardoor Q1 nog verder in geleiding zal brengen. Dit regeneratieve process zal er uiteindelijk tot leiden dat VDD met VSS kortgesloten wordt met alle gevolgen van dien.
Om latch-up te voorkomen kunnen verschillende voorzorgsmaatregelen getroffen worden. Eén benadering is de source-drain van het p-MOS device zo ver mogelijk weg te houden van de p-well. Hierdoor wordt de versterkingsfactor van Q1 sterk verminderd. Dit is echter een vrij kostbare oplossing omdat dit ten koste gaat van het chip oppervlak.
Een tweede benadering is ervoor te zorgen dat de weerstand RN- en RP- zo klein mogelijk is. Kleinere weerstandswaarden vereisen immers een grotere stroom om de basis-emitter overgangen van Q1 en Q2 in doorlaatrichting te bedrijven en voldoende basisstroom te laten lopen. Deze weerstanden nu kunnen verlaagd worden door de p-channel MOSFET te omgeven door een zogenaamde n+ guard ring die verbonden is met VDD. Tevens wordt op het grensvlak met de p-well, door diffusie, een p+ guard ring aangebracht die met VSS is verbonden. Verder kan nog door een diepe diffusie van p- materiaal een guard ring gelegd worden buiten om de p-well heen die verbonden is met VSS . Dit heeft tot gevolg dat de collector van Q1 kortgesloten wordt naar VSS en dus geen basisstroom aan Q2 kan leveren. Het principe van de guard ringen is weergegeven in figuur 20.

Een andere belangrijke overweging die gemaakt moet worden met betrekking tot de CMOS technologie is de gevoeligheid voor statische electriciteit. Statische electriciteit, kan naar gelang de omstandigheden, varieren van 2 kVolt tot zelfs meer dan 10 kVolt. Als een CMOS gate hiermee in direct contact komt, bijvoorbeeld door aanraken van een IC pin, zal het gate oxide gegarandeerd de vernieling ingaan.
Om dit nu te voorkomen worden alle ingangen van CMOS componenten door middel van interne protectie dioden beschermd tegen statische ladingen. Dit neemt niet weg dat toch voorzichtigheid geboden blijft bij het werken met CMOS devices.
Een geaard polsbandje en het gebruik van geleidende foam of geleidende plastic als verpakking, is geen overbodige luxe.


3.10   De toekomst van de chip    (Ref. Technisch Weekblad Februari 2008)
Als we de ontwikkeling van de transistor bekijken vanaf het moment van de uitvinding in 1947 tot de dag van vandaag, moeten we constateren dat de transistor, en alles wat daarvan is afgeleid, een enorme ontwikkeling heeft doorgemaakt.
Gordon Moore, mede-oprichter van chipfabrikant Intel, schreef in 1965 eigenlijk niets bijzonders door te constateren dat de complexiteit van geïntegreerde circuits tegen minimale kosten elke twee jaar was verdubbeld en dat er geen reden was om aan te nemen dat dit de komende tien jaar zou veranderen. Zo kent iedereen de wet van Moore vandaag de dag als een stelling dat de rekenkracht van processoren elke twee jaar verdubbeld. De wet gaat al ruim 40 jaar vrijwel perfect op al is hij de laatste jaren veranderd van een voorspelling in een doelstelling voor de chipfabrikanten.
De onderstaande tabel geeft een indruk van deze ontwikkeling waarbij opgemerkt moet worden dat de wafer grootte drastisch heeft toegenomen van 19 mm in 1959 tot 300 mm in 2007.
Het is begrijpelijk dat deze enorme dichtheid van transistoren zeer hoge eisen stelt aan de apparatuur die de chip fabriceert, de waferstepper. Een moderne waferstepper werkt grofweg als volgt: Eerst wordt een dunne plak zuiver silicium van 12 inch (300 mm) voorzien van een laagje lichtgevoelig materiaal, het zogenaamde fotoresist.
Via een masker met de volledige lay-out van de chip en een verkleinend lenzenstelsel belicht een laser de laag fotoresist die daardoor het patroon van transistoren dat zich op het masker bevindt, overneemt. Vervolgens verplaatst de waferstepper de wafer om het proces te herhalen totdat de hele wafer bedekt is met identieke chips.
Na het aanbrengen van de verschillende lagen en tussentijdse diffusie stappen is de wafer gereed om opgeknipt te worden in individuele microchips.



                                   


Hoofdstuk 4   Ontwikkeling van electronische componenten en hun assemblages
In het nu volgende en laatste hoofdstuk zal middels een fotosessie en beknopte beschrijvingen een beeld gegeven worden hoe de verschillende electronische componenten en assemblages van die componenten zich in de loop der tijd hebben ontwikkeld.
Onderdelen waar geen tekst en uitleg bij gegeven is spreken voor zichzelf.

1  Electronenbuizen
We beginnen natuurlijk met een verzameling oude electronenbuizen. Geheel links zien we een zendbuis die toegepast werd in een zogenaamde "vein eraser". Dit was een apparaat waarmee, door middel van hoogfrequent energie, spataderen "schoon gebrand" werden. Goed is te zien dat de buizen steeds kleiner in omvang werden. 

2  Weerstanden
Deze foto toont een uitgebreide verzameling weerstanden. Geheel links een vrij oude koolweerstand in een hermetisch gesloten glazen buisje. Geheel rechts, moderne Surface Mount Devices (SMD) weerstanden.
Niet getoond zijn weerstandstypen zoals NTC weerstanden, VDR weerstanden, draadgewonden weerstanden en variabele weerstanden.

3  Condensatoren
Deze verzameling condensatoren is maar een kleine greep uit een heel groot scala aan condensatoren. 
De drie condensatoren geheel rechts zijn SMD condensatoren.
Wie goed kijkt (tekst staat helaas op z'n kop) ziet dat de bruine keramische condensator geheel links boven nog een capaciteitsaanduiding heeft in cm (1 cm = 0,9 pF).

4  Elco's
Deze foto toont een verzameling condensatoren die varieert van een oude eletrolytische condensator (geheel links) tot de SMD condensatoren rechts beneden.  

5  Spoelen

6  Gelijkrichters

7  Relais

8  Light Emitting Diodes (LED)

9  Displays

Links boven is een 7-segment display te zien met ingebouwde segment driver. Boven in het midden zien we de oude bekende Nixie cijferbuizen van Hewlett Packard en Siemens.
Rechts zien we enkele mooie voorbeelden van zogenaamde VFD displays (Vacuum Fluorescent Display).
Deze worden vooral toegepast in video recorders, DVD recorders, magnetrons etc. vanwege hun helderheid en mooi contrast.

10  Kristallen

11  Transistoren

12  TV Beeldbuis Electronenkanon

Hier zien we de ontwikkeling in de TV beeldbuizen, en met name, in de electronenkanonnen.
Geheel links zien we de klassieke opstelling van de RGB kanonnen in een driehoekvorm. Deze opstelling
gaf grote convergentie problemen bij de beeldvorming. Om die problemen sterk te verminderen werden de kanonnen in een horizontale lijn opgesteld. Dit is op de afbeelding geheel rechts goed te zien.

13  Digitale en Lineaire Integrated Circuits
Deze foto is slechts een kleine greep uit het enorm scala aan digtale en lineaire IC's. Let op het verschil in assemblage.
De meeste IC's voor "commercial grade" toepassingen zijn tegenwoordig geassembleerd in een kunststof behuizing.
Maar, daar waar hoge betrouwbaarheidseisen aan de componenten worden gesteld, zijn de IC's "verpakt" in een keramische behuizing. Zie bijvoorbeeld de op-amp LM324  en de D/A converter DAC90.

14  Hybride schakelingen
Deze foto laat een overzicht zien van diverse hybride schakelingen. Geheel links zien we de oude circuit blokken van Philips waar de componenten nog op pertinax printplaat gemonteerd werden en ingegoten werden in epoxy of een ander vulmiddel. 
Als we op deze foto klikken zien we een close-up van deze circuit blokken.
Vandaag de dag worden bijna alle componenten op substraten van aluminiumoxyde geplaatst.
Klikken we op deze foto, dan zien we een mooie close-up van een isolatie versterker en een DC/DC converter hybrid waar zelfs een tranformator op het keramisch substraat werd geplaatst. Rechts op deze close-up zien we enkele opengewerkte hybrids die in de vroegere pacemakers werden toegepast.
Dit pacemaker hybrid is toegepast in de eerste dubbelkamer pacemaker van Medtronic de zogenaamde ASVIP pacemaker. De afkorting ASVIP staat voor Atrial Sequential Ventricular Inhibited Pacemaker. 
Deze pacemaker is middels twee in het hart ingebrachte electroden in staat om het ritme van het atrium en ventricle te detecteren. Over dezelfde electroden kan of het atrium of het ventricle, of zelfs beiden, gestimuleerd worden. 
Normaal wordt het ritme van het atrium bepaald door de zogenaame SA node (sinoatrial node). Deze SA node triggert de spier van het atrium welke samentrekt waarna de impuls naar de AV node (atrioventricular node) wordt geleid. Deze impuls nu bereikt de AV node met enige vertraging (100-150 ms), dit om het atrium gecontroleerd te laten samentrekken en het ventricle de gelegenheid te geven zich met bloed te kunnen vullen. Van de AV node gaat nu een impuls via de bundel van His naar het ventricle waardoor dit samentrekt. Nadat alle cellen gerepolariseerd zijn begint de cyclus weer opnieuw.
Zou nu, door bijvoorbeeld een AV block, de geleiding naar het ventricle wegvallen, dan wordt dit door de pacemaker gedetecteerd en zal het ventricle, na een zekere vertragingstijd, door het ventriculaire output circuit van de pacemaker gestimuleerd worden.
Zou geen signaal van de SA node gedetecteerd worden door de pacemaker, dan zal het atrium door het atriele output circuit van de pacemaker gestimuleerd worden waarna, via de natuurlijke vertraging, het ventricle samentrekt. 
Verder moet nog vermeld worden dat alle parameters van de pacemaker door middel van een programmer via een RF telemetrie verbinding geprogrammeerd konden worden. Deze programmeerbare parameters omvatten atriele en ventriculaire stimulatie parameters, atriele en ventriculaire sensing parameters, A-V vertagingstijd, diverse refractaire tijden na atriele en ventriculaire stimulatie etc etc.

15  Chip carriers

Deze foto laat zien hoe de afzonderlijke chips in hun behuizing geplaatst kunnen worden. Deze behuizing noemt men de chip carrier. Als we op deze close-up foto klikken zien we duidelijk de aansluitdraden zitten. Helaas zijn wat aansluitdraden bij het losmaken van de deksel gesneuveld.

16  Single chip microprocessors
De processoren met het glazen venstertje zijn zogenaamde single chip EPROM microcomputers.
Hierin kunnen applicatie-programma's geprogrammeerd worden die ook weer met behulp van UV licht gewist kunnen worden zodat de microcomputer, met bijvoorbeeld een gewijzigd programma, opnieuw geprogrammeerd en gebruikt kan worden.

17  Microprocessor Peripheral Devices

18  PC Microprocessor en Controllers 
Verdere ontwikkeling van de componenten op de foto van paragraph 16 en 17 hebben uiteindelijk geleid tot de realisatie van de eerste processoren en controllers die in Personal Computers (PC) gebruikt werden.
Klikken we op deze foto deze foto dan zien we de chipset van de PentiumMMX.
Deze foto laat de chipset zien van de Pentium4 en de AMD Athlon A0850 processor.

19   4kByte ringkern-geheugen
Deze oude ringkerngeheugenkaart van slechts 4kBytes heeft een afmeting van 28x42 cm. 
Vergelijk deze afmeting eens met die van een 2 Gbyte geheugenkaartje uit een moderne PC.
Hier zie je een detail opname van de ringkernen.

20  RAM memory

21  EPROM memory

22  Data opslag media

23  Hard disks


Opmerking: 
Deze verzameling radio's, inclusief de componenten die een belangrijke rol hebben gespeeld in de ontwikkeling van de electronica, zijn opgeslagen op mijn zolder in een soort museum.
De foto's hieronder geven hier een impressie van.
Klik op de foto's om ze vergroot weer te geven.



Hebt U suggesties of vragen aarzel dan niet om een e-mail te sturen naar de webmaster