Tranzistory: účel, zařízení a principy činnosti

Podívejte se na první část článku zde: Historie tranzistorů.

Co znamená jméno „tranzistor“

Tranzistor ihned neobdržel takové známé jméno. Zpočátku se tomu říkalo analogicky s lampou polovodičová trioda. Moderní název se skládá ze dvou slov. První slovo je „transfer“ (zde si okamžitě vzpomínám „transformátor“) znamená vysílač, převodník a nosič. A druhá polovina slova se podobá slovu "odpor" - detail elektrických obvodů, jejichž hlavní vlastností je elektrický odpor.

Je to tento odpor, který se vyskytuje v Ohmově zákonu a mnoha dalších vzorcích elektrotechniky. Proto slovo „tranzistor“ lze interpretovat jako převodník odporu. Přibližně jako v hydraulice je změna průtoku kapaliny řízena ventilem. U tranzistoru mění takový „ventil“ množství elektrických nábojů, které vytvářejí elektrický proud. Tato změna není ničím jiným než změnou vnitřního odporu polovodičového zařízení.

Zesílení elektrických signálů

Nejběžnější operace, která se provádí tranzistoryje zesílení elektrických signálů. To však není úplně správný výraz, protože slabý signál z mikrofonu tak zůstává.

Zesílení je také vyžadováno v rádiu a televizi: slabý signál z miliardtw wattové antény musí být zesílen tak, aby se na obrazovce objevil zvuk nebo obraz. A to je síla několika desítek av některých případech stovky wattů. Proces zesílení je proto omezen, aby bylo zajištěno, že pomocí dalších zdrojů energie přijímaných ze zdroje napájení se získá silná kopie slabého vstupního signálu. Jinými slovy, nízkoenergetický vstup stimuluje silné energetické toky.

Zesílení v jiných oblastech technologie a přírody

Tyto příklady lze nalézt nejen v elektrických obvodech. Například, když stisknete plynový pedál, rychlost vozidla se zvýší. Zároveň nemusíte plynový pedál stlačovat velmi tvrdě - ve srovnání s výkonem motoru je tlak na pedál zanedbatelný. Aby se snížila rychlost, bude muset být pedál poněkud uvolněn, aby se oslabil vstupní efekt. V této situaci je benzín mocným zdrojem energie.

Stejný účinek lze pozorovat v hydraulice: na otevření elektromagnetického ventilu, například ve stroji, se vynaloží jen velmi málo. Tlak oleje na píst mechanismu může vytvořit sílu několika tun. Tato síla může být nastavena, pokud je v olejové trubce uspořádán nastavitelný ventil, jako u běžného kuchyňského kohoutku. Mírně zakrytý - tlak klesl, tlak poklesl. Pokud jste otevřeli více, tlak se zesílil.

Také není nutné vyvinout zvláštní úsilí k otáčení ventilu. V tomto případě je čerpací stanice stroje externím zdrojem energie. A v přírodě a technologii existuje mnoho podobných vlivů. Ale stále nás zajímá tranzistor, takže se budeme muset dále zabývat ...

Zesilovače signálu

Ve většině zesilovacích obvodů se jako variabilní odpor používají tranzistory nebo elektronky, jejichž odpor se mění pod vlivem slabého vstupního signálu. Tento "proměnný rezistor" je nedílnou součástí stejnosměrného obvodu, který přijímá energii například od galvanické články nebo baterie, takže v obvodu začíná protékat konstantní proud. Počáteční hodnota tohoto proudu (zatím není k dispozici žádný vstupní signál) se nastavuje při nastavování obvodu.

Vlivem vstupního signálu se vnitřní odpor aktivního prvku (tranzistor nebo lampa) mění se vstupním signálem v čase. Z tohoto důvodu se stejnosměrný proud mění na střídavý proud a vytváří tak výkonnou kopii vstupního signálu při zatížení. Jak přesná bude tato kopie, závisí na mnoha podmínkách, ale o tom si promluvíme později.

Činnost vstupního signálu je velmi podobná výše uvedenému plynovému pedálu nebo ventilu v hydraulickém systému. Abychom pochopili, co je takový hradlový ventil v tranzistoru, musíte říct, alespoň velmi zjednodušeně, ale pravdivě a pochopitelně, o některých procesech v polovodičích.

Vodivost a atomová struktura

Elektrický proud vzniká díky pohybu elektronů ve vodiči. Abychom pochopili, jak k tomu dojde, budete muset zvážit strukturu atomu. Úvaha bude samozřejmě co nejjednodušší, dokonce primitivní, ale umožní vám pochopit podstatu procesu, ne více, než je nutné k popisu činnosti polovodičů.

V roce 1913 navrhl dánský fyzik Niels Bohr planetární model atomu, který je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Model planetárního atomu

Podle jeho teorie atom sestává z jádra, které zase sestává z protonů a neutronů. Protony jsou nosiči pozitivního elektrického náboje a neutrony jsou elektricky neutrální.

Kolem jádra rotují elektrony na oběžné dráze, jejíž záporný elektrický náboj je. Počet protonů a elektronů v atomu je stejný a elektrický náboj jádra je vyvážen celkovým nábojem elektronů. V tomto případě říkají, že atom je ve stavu rovnováhy nebo je elektricky neutrální, to znamená, že nenese kladný ani záporný náboj.

Pokud atom ztratí elektron, pak se jeho elektrický náboj stane kladným a atom samotný se v tomto případě stává kladným iontem. Pokud se atom k sobě připojí cizím elektronem, nazývá se záporný iont.

Obrázek 2 ukazuje fragment periodické tabulky. Věnujme pozornost obdélníku, ve kterém je umístěn křemík (Si).

Obrázek 2. Fragment periodické tabulky

V pravém dolním rohu je sloupec čísel. Ukazují, jak jsou elektrony distribuovány po oběžné dráze atomu - dolní číslice nejblíže k jádru orbity. Pokud se podrobně podíváte na obrázek 1, můžeme s jistotou říci, že máme atom křemíku s elektronovou distribucí 2, 8, 4. Obrázek 1 je objemný, téměř ukazuje, že oběžné dráhy elektronů jsou sférické, ale pro další zdůvodnění lze předpokládat, že jsou ve stejné rovině a všechny elektrony běží podél stejné dráhy, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3

Latinská písmena na obrázku označují prostředí. V závislosti na počtu elektronů v atomu může být jejich počet různý, ale ne více než sedm: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Na každé oběžné dráze může být určitý počet elektronů. Například na posledním Q je jich až 98, méně je možné, nic víc. Ve skutečnosti, pokud jde o náš příběh, lze tuto distribuci ignorovat: zajímají nás pouze elektrony umístěné na vnější oběžné dráze.

Ve skutečnosti se všechny elektrony ve skutečnosti neotáčejí ve stejné rovině: dokonce 2 elektrony, které jsou na oběžné dráze se jménem K, se otáčejí ve sférických drahách umístěných velmi blízko. A co můžeme říci o orbitách s vyššími úrovněmi! Tam se to stává ... Ale pro jednoduchost uvažování předpokládáme, že všechno se děje v jedné rovině, jak je znázorněno na obrázku 3.

V tomto případě může být i krystalová mříž prezentována v ploché formě, což usnadní porozumění materiálu, i když ve skutečnosti je mnohem složitější. Plochá mřížka je znázorněna na obrázku 4.

Obrázek 4

Elektrony vnější vrstvy se nazývají valencí. Jsou to oni, kteří jsou na obrázku zobrazeni (zbývající elektrony nezáleží na našem příběhu).Jsou to oni, kdo se podílejí na spojení atomů na molekuly a když vytvářejí různé látky, určují své vlastnosti.

Jsou to ti, kdo se mohou od atomu odtrhnout a volně putovat, a pokud existují nějaké podmínky, vytvoří elektrický proud. Kromě toho dochází k procesům ve vnějších obalech, které vedou k tranzistorům - polovodičovým zesilovacím zařízením.

Pokračování článku: Tranzistory Část 2. Vodiče, izolátory a polovodiče.

Boris Aladyshkin