Transistors: objectif, dispositif et principes de fonctionnement

Voir la première partie de l'article ici: Histoire du transistor.

Que signifie le nom "transistor"

Le transistor n'a pas immédiatement reçu un nom aussi familier. Initialement, par analogie avec la technique de la lampe, il a été appelé triode à semi-conducteur. Le nom moderne se compose de deux mots. Le premier mot est «transfert» (ici, je rappelle immédiatement «transformateur») signifie un émetteur, un convertisseur et une porteuse. Et la seconde moitié du mot ressemble au mot "résistance" - un détail des circuits électriques, dont la propriété principale est la résistance électrique.

C'est cette résistance qui se produit dans la loi d'Ohm et dans de nombreuses autres formules de génie électrique. Par conséquent, le mot "transistor" peut être interprété comme un convertisseur de résistance. À peu près la même qu'en hydraulique, le changement de débit de fluide est contrôlé par une vanne. Pour un transistor, une telle "valve" modifie la quantité de charges électriques qui créent un courant électrique. Ce changement n'est rien d'autre qu'un changement dans la résistance interne d'un dispositif semi-conducteur.

Amplification des signaux électriques

L'opération la plus courante qui est effectuée transistorsest amplification des signaux électriques. Mais ce n'est pas tout à fait la bonne expression, car le signal faible du microphone le reste.

Une amplification est également nécessaire en radio et télévision: un signal faible émis par une antenne d'un milliardième de watt doit être amplifié de manière à obtenir un son ou une image d'écran. Et c'est une puissance de plusieurs dizaines, et dans certains cas des centaines de watts. Par conséquent, le processus d'amplification est réduit pour garantir que l'utilisation de sources d'énergie supplémentaires reçues de l'alimentation, pour obtenir une copie puissante d'un signal d'entrée faible. En d'autres termes, une entrée de faible puissance stimule de puissants flux d'énergie.

Amplification dans d'autres domaines de la technologie et de la nature

De tels exemples peuvent être trouvés non seulement dans les circuits électriques. Par exemple, lorsque vous appuyez sur la pédale d'accélérateur, la vitesse de la voiture augmente. Dans le même temps, vous n'avez pas à appuyer très fort sur la pédale d'accélérateur - par rapport à la puissance du moteur, la pression sur la pédale est négligeable. Pour réduire la vitesse, la pédale devra être relâchée quelque peu, pour affaiblir l'effet d'entrée. Dans cette situation, l'essence est une puissante source d'énergie.

Le même effet peut être observé en hydraulique: très peu est dépensé pour ouvrir une vanne électromagnétique, par exemple dans une machine-outil. Et la pression d'huile sur le piston du mécanisme peut créer une force de plusieurs tonnes. Cette force peut être ajustée si une soupape réglable est prévue dans le tuyau d'huile, comme dans un robinet de cuisine conventionnel. Légèrement couvert - la pression a chuté, la pression a chuté. Si vous avez ouvert davantage, la pression s'est intensifiée.

Il n'est pas non plus nécessaire de faire des efforts particuliers pour faire tourner la valve. Dans ce cas, la station de pompage de la machine est une source d'énergie externe. Et il existe de nombreuses influences similaires dans la nature et la technologie. Mais encore, nous sommes plus intéressés par le transistor, donc nous devrons réfléchir plus avant ...

Amplificateurs de signal

Dans la plupart des circuits d'amplification, des transistors ou des tubes électroniques sont utilisés comme une résistance variable, dont la résistance change sous l'influence d'un signal d'entrée faible. Cette "résistance variable" fait partie intégrante du circuit DC, qui reçoit par exemple de l'énergie de cellules galvaniques ou des batteries, donc un courant constant commence à circuler dans le circuit. La valeur initiale de ce courant (il n'y a pas encore de signal d'entrée) est définie lors de la configuration du circuit.

Sous l'influence du signal d'entrée, la résistance interne de l'élément actif (transistor ou lampe) évolue dans le temps avec le signal d'entrée. Par conséquent, le courant continu se transforme en courant alternatif, créant une copie puissante du signal d'entrée à la charge. La précision de cette copie dépend de nombreuses conditions, mais nous en reparlerons plus tard.

L'action du signal d'entrée est très similaire à la pédale d'accélérateur mentionnée ci-dessus ou à la soupape du système hydraulique. Pour comprendre ce qu'est une telle vanne à grille dans un transistor, il faut parler, au moins très simplifié, mais vrai et compréhensible de certains processus dans les semi-conducteurs.

Conductivité et structure atomique

Un courant électrique est créé en raison du mouvement des électrons dans le conducteur. Afin de comprendre comment cela se produit, vous devrez considérer la structure de l'atome. La prise en compte, bien sûr, sera aussi simplifiée que possible, même primitive, mais vous permettant de comprendre l'essence du processus, pas plus que nécessaire pour décrire le fonctionnement des semi-conducteurs.

En 1913, le physicien danois Niels Bohr a proposé un modèle planétaire de l'atome, comme le montre la figure 1.

Figure 1. Modèle d'atome planétaire

Selon sa théorie, un atome se compose d'un noyau, qui, à son tour, se compose de protons et de neutrons. Les protons sont porteurs d'une charge électrique positive et les neutrons sont électriquement neutres.

Autour du noyau, les électrons tournent sur des orbites dont la charge électrique négative est. Le nombre de protons et d'électrons dans un atome est le même, et la charge électrique du noyau est équilibrée par la charge totale des électrons. Dans ce cas, ils disent que l'atome est dans un état d'équilibre ou est électriquement neutre, c'est-à-dire qu'il ne porte pas de charge positive ou négative.

Si un atome perd un électron, sa charge électrique devient positive et l'atome lui-même dans ce cas devient un ion positif. Si un atome s'attache à lui-même un électron étranger, il est alors appelé ion négatif.

La figure 2 montre un fragment du tableau périodique. Faisons attention au rectangle dans lequel se trouve le silicium (Si).

Figure 2. Fragment du tableau périodique

Dans le coin inférieur droit se trouve une colonne de chiffres. Ils montrent comment les électrons sont répartis sur les orbites de l'atome - le chiffre inférieur le plus proche du cœur de l'orbite. Si vous regardez de près la figure 1, nous pouvons dire avec confiance que nous avons un atome de silicium avec une distribution d'électrons de 2, 8, 4. La figure 1 est volumineuse, elle montre presque que les orbites des électrons sont sphériques, mais pour un raisonnement plus approfondi, nous pouvons supposer qu'ils sont dans le même plan, et tous les électrons parcourent la même piste, comme le montre la figure 3.

Figure 3

Les lettres latines sur la figure indiquent la coquille. Selon le nombre d'électrons dans un atome, leur nombre peut être différent, mais pas plus de sept: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Dans chaque orbite, il peut être un certain nombre d'électrons. Par exemple, sur le dernier Q, il y en a jusqu'à 98, moins c'est possible, pas plus. En fait, en termes de notre histoire, cette distribution peut être ignorée: nous ne nous intéressons qu'aux électrons situés dans l'orbite externe.

Bien sûr, en fait, tous les électrons ne tournent pas du tout dans le même plan: même 2 électrons qui sont sur une orbite avec le nom K tournent sur des orbites sphériques situées très proches. Et que dire des orbites de niveaux supérieurs! Là, cela arrive ... Mais pour simplifier le raisonnement, nous supposons que tout se passe dans un seul plan, comme le montre la figure 3.

Dans ce cas, même le réseau cristallin peut être présenté sous une forme plate, ce qui facilitera la compréhension du matériau, bien qu'en fait il soit beaucoup plus compliqué. La grille plate est illustrée à la figure 4.

Figure 4

Les électrons de la couche externe sont appelés valence. Ce sont eux qui sont représentés sur la figure (les électrons restants n'ont pas d'importance pour notre histoire).Ce sont eux qui participent à l'union des atomes en molécules, et lors de la création de différentes substances, ils déterminent leurs propriétés.

Ce sont eux qui peuvent se détacher de l'atome et se promener librement, et s'il y a des conditions, créer un courant électrique. De plus, c'est dans les enveloppes extérieures que se produisent les processus qui aboutissent à des transistors - des dispositifs amplificateurs à semi-conducteurs.

Suite de l'article: Transistors Partie 2. Conducteurs, isolateurs et semi-conducteurs.

Boris Aladyshkin