Транзистори: предназначение, устройство и принципи на работа

Вижте първата част на статията тук: История на транзистора.

Какво означава името "транзистор"

Транзисторът не получи веднага такова познато име. Първоначално по аналогия с техниката на лампата се е наричала полупроводников триод, Съвременното име се състои от две думи. Първата дума е „прехвърляне“ (тук веднага си спомням „трансформатор“) означава предавател, конвертор и носител. И втората половина на думата прилича на думата "резистор" - детайл от електрически вериги, основното свойство на които е електрическото съпротивление.

Именно това съпротивление се среща в закона на Ом и много други формули на електротехниката. Следователно думата "транзистор" може да се тълкува като преобразувател на съпротивление. Приблизително същата като в хидравликата, промяната в потока на течността се контролира от клапан. За транзистор такъв „клапан“ променя количеството електрически заряди, които създават електрически ток. Тази промяна не е нищо повече от промяна във вътрешното съпротивление на полупроводниково устройство.

Усилване на електрически сигнали

Най-честата операция, която се извършва транзисторие усилване на електрически сигнали, Но това не е съвсем правилният израз, защото слаб сигнал от микрофона остава такъв.

Усилване се изисква и в радиото и телевизията: слаб сигнал от антена на милиарда ват трябва да се усили до такава степен, че да се получи звуково или екранно изображение. И това е мощност от няколко десетки, а в някои случаи и стотици ватове. Следователно процесът на усилване се свежда до използване на мощни източници на енергия, получени от захранването, за да се получи мощно копие на слаб входен сигнал. С други думи, входът с ниска мощност стимулира мощни енергийни потоци.

Амплификация в други области на технологията и природата

Такива примери могат да се намерят не само в електрическите вериги. Например, когато натиснете педала за газ, скоростта на автомобила се увеличава. В същото време не е нужно да натискате педала на газ много силно - в сравнение с мощността на двигателя натискът върху педала е незначителен. За да намалите скоростта, педалът ще трябва да се освободи донякъде, за да отслаби входния ефект. В тази ситуация бензинът е мощен източник на енергия.

Същият ефект може да се наблюдава и в хидравликата: много малко се изразходва за отваряне на електромагнитен клапан, например в машинен инструмент. А налягането на маслото върху буталото на механизма може да създаде сила от няколко тона. Тази сила може да се регулира, ако в тръбата за масло е предвиден регулируем клапан, както в конвенционален кухненски кран. Леко прикрито - налягането спада, налягането пада. Ако сте отворили повече, тогава налягането се засилва.

Също така не е необходимо да се полагат специални усилия за завъртане на клапана. В този случай помпената станция на машината е външен източник на енергия. И има много много подобни влияния в природата и технологиите. Но все пак ние сме по-заинтересовани от транзистора, така че ще трябва да обмислим допълнително ...

Сигнални усилватели

В повечето усилващи вериги транзисторите или електронните тръби се използват като променлив резистор, съпротивлението на което се променя под въздействието на слаб входен сигнал. Този "променлив резистор" е неразделна част от веригата на постоянен ток, която получава мощност, например, от галванични клетки или батерии, така че постоянен ток започва да тече във веригата. Първоначалната стойност на този ток (все още няма входен сигнал) се задава при настройка на веригата.

Под действието на входния сигнал вътрешното съпротивление на активния елемент (транзистор или лампа) се променя във времето с входния сигнал. Следователно постоянният ток се превръща в променлив ток, създавайки мощно копие на входния сигнал при натоварването. Колко точно ще бъде това копие зависи от много условия, но за това ще говорим по-късно.

Действието на входния сигнал е много подобно на гореспоменатия педал за газ или на клапана в хидравличната система. За да разберете какво е такъв затворен клапан в транзистор, трябва да кажете, поне много опростено, но вярно и разбираемо за някои процеси в полупроводници.

Проводимост и атомна структура

Електрическият ток се създава поради движението на електрони в проводника. За да разберете как се случва това, ще трябва да вземете предвид структурата на атома. Разглеждането, разбира се, ще бъде възможно най-опростено, дори примитивно, но ще ви позволи да разберете същността на процеса, не повече от необходимото за описание на работата на полупроводници.

През 1913 г. датският физик Нилс Бор предлага планетарен модел на атома, който е показан на фигура 1.

Фигура 1. Модел на планетарен атом

Според неговата теория атом се състои от ядро, което от своя страна се състои от протони и неутрони. Протоните са носители на положителен електрически заряд, а неутроните са електрически неутрални.

Около ядрото, електрони се въртят в орбити, чийто отрицателен електрически заряд е. Броят на протоните и електроните в един атом е един и същ, а електричният заряд на ядрото се балансира с общия заряд на електроните. В този случай те казват, че атомът е в състояние на равновесие или е електрически неутрален, тоест не носи положителен или отрицателен заряд.

Ако един атом загуби електрон, тогава неговият електрически заряд става положителен, а самият атом в този случай се превръща в положителен йон. Ако един атом прикрепи към себе си чужд електрон, тогава той се нарича отрицателен йон.

Фигура 2 показва фрагмент от периодичната таблица. Нека обърнем внимание на правоъгълника, в който се намира силицийът (Si).

Фигура 2. Фрагмент от периодичната таблица

В долния десен ъгъл е колона от числа. Те показват как се разпределят електроните по орбитите на атома - долната цифра, най-близка до ядрото на орбитата. Ако погледнете отблизо Фигура 1, тогава можем да кажем с увереност, че имаме силиконов атом с разпределение на електрон 2, 8, 4. Фигура 1 е обемна, почти показва, че орбитите на електроните са сферични, но за по-нататъшно разсъждение можем да приемем, че те са в една и съща равнина и всички електрони вървят по същия коловоз, както е показано на фигура 3.

Фигура 3

Латинските букви на фигурата обозначават черупката. В зависимост от броя на електроните в даден атом, техният брой може да бъде различен, но не повече от седем: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Във всяка орбита може да бъде определен брой електрони. Например, на последния Q има колкото 98, по-малко е възможно, не повече. Всъщност, от гледна точка на нашата история, това разпределение може да се игнорира: ние се интересуваме само от електрони, разположени във външната орбита.

Разбира се, всъщност всички електрони изобщо не се въртят в една и съща равнина: дори 2 електрона, които са в орбита с името К, се въртят в сферични орбити, разположени много близо. И какво можем да кажем за орбитите с по-високи нива! Там се случва ... Но за простота на разсъжденията приемаме, че всичко се случва в една равнина, както е показано на фигура 3.

В този случай дори кристалната решетка може да бъде представена в плоска форма, което ще улесни разбирането на материала, въпреки че всъщност е много по-сложно. Плоската решетка е показана на фигура 4.

Фигура 4

Електроните на външния слой се наричат ​​валентност. Именно те са показани на фигурата (останалите електрони нямат значение за нашата история).Именно те участват в обединението на атомите в молекулите и когато създават различни вещества, те определят техните свойства.

Именно те могат да се откъснат от атома и да се скитат свободно и ако има някакви условия, да създадат електрически ток. Освен това именно във външните черупки възникват процесите, които водят до транзистори - полупроводникови усилващи устройства.

Продължение на статията: Транзистори. Част 2. Проводници, изолатори и полупроводници.

Борис Аладишкин