Tranzystory: cel, urządzenie i zasady działania

Zobacz pierwszą część artykułu tutaj: Historia tranzystorów.

Co oznacza nazwa „tranzystor”

Tranzystor nie otrzymał od razu tak znanej nazwy. Początkowo nazywało się to analogicznie do techniki lampowej trioda półprzewodnikowa. Współczesna nazwa składa się z dwóch słów. Pierwsze słowo to „transfer” (tutaj natychmiast przypominam sobie „transformator”) oznacza nadajnik, przetwornik i nośnik. A druga połowa słowa przypomina słowo „rezystor” - szczegół obwodów elektrycznych, których główną właściwością jest oporność elektryczna.

To właśnie ten opór występuje w prawie Ohma i wielu innych formach elektrotechniki. Dlatego słowo „tranzystor” można interpretować jako przetwornik rezystancji. Mniej więcej tak samo jak w hydraulice zmiana przepływu płynu jest kontrolowana przez zawór. W przypadku tranzystora taki „zawór” zmienia ilość ładunków elektrycznych, które wytwarzają prąd elektryczny. Ta zmiana jest niczym innym jak zmianą wewnętrznej rezystancji urządzenia półprzewodnikowego.

Wzmocnienie sygnałów elektrycznych

Najczęściej wykonywana operacja tranzystoryjest wzmocnienie sygnałów elektrycznych. Nie jest to jednak właściwe wyrażenie, ponieważ słaby sygnał z mikrofonu pozostaje taki.

Wzmocnienie jest również wymagane w radiu i telewizji: słaby sygnał z miliardowej anteny watowej musi zostać wzmocniony w takim stopniu, aby na ekranie pojawił się dźwięk lub obraz. A to jest moc kilkudziesięciu, a w niektórych przypadkach setek watów. Dlatego proces wzmacniania jest zredukowany, aby za pomocą dodatkowych źródeł energii otrzymanej z zasilacza uzyskać mocną kopię słabego sygnału wejściowego. Innymi słowy, wejście o niskiej mocy stymuluje potężny przepływ energii.

Wzmocnienie w innych obszarach technologii i przyrody

Takie przykłady można znaleźć nie tylko w obwodach elektrycznych. Na przykład naciśnięcie pedału gazu zwiększa prędkość samochodu. Jednocześnie nie trzeba mocno naciskać pedału gazu - w porównaniu z mocą silnika nacisk na pedał jest znikomy. Aby zmniejszyć prędkość, należy nieco zwolnić pedał, aby osłabić efekt wejściowy. W tej sytuacji benzyna jest silnym źródłem energii.

Ten sam efekt można zaobserwować w hydraulice: bardzo mało wydaje się na otwieranie zaworu elektromagnetycznego, na przykład w obrabiarce. A ciśnienie oleju na tłoku mechanizmu może wytworzyć siłę kilku ton. Siła ta może być regulowana, jeśli w rurze olejowej znajduje się regulowany zawór, jak w tradycyjnym kranu kuchennym. Lekko zakryty - ciśnienie spadło, ciśnienie spadło. Jeśli otworzysz więcej, presja nasiliła się.

Nie jest również konieczne dołożenie szczególnych starań, aby obrócić zawór. W takim przypadku stacja pomp maszyny jest zewnętrznym źródłem energii. Istnieje wiele podobnych wpływów w naturze i technologii. Ale nadal jesteśmy bardziej zainteresowani tranzystorem, więc będziemy musieli rozważyć dalsze ...

Wzmacniacze sygnału

W większości obwodów wzmacniających tranzystory lub lampy elektroniczne są stosowane jako rezystor zmienny, którego rezystancja zmienia się pod wpływem słabego sygnału wejściowego. Ten „rezystor zmienny” jest integralną częścią obwodu prądu stałego, który odbiera moc, na przykład, z ogniwa galwaniczne lub baterie, więc w obwodzie zaczyna płynąć stały prąd. Początkowa wartość tego prądu (jeszcze nie ma sygnału wejściowego) jest ustawiana podczas konfigurowania obwodu.

Pod wpływem sygnału wejściowego wewnętrzna rezystancja elementu aktywnego (tranzystora lub lampy) zmienia się w czasie wraz z sygnałem wejściowym. Dlatego prąd stały zamienia się w prąd przemienny, tworząc potężną kopię sygnału wejściowego przy obciążeniu. Jak dokładna będzie ta kopia, zależy od wielu warunków, ale porozmawiamy o tym później.

Działanie sygnału wejściowego jest bardzo podobne do wspomnianego powyżej pedału gazu lub zaworu w układzie hydraulicznym. Aby zrozumieć, co to takiego zasuwa w tranzystorze, musisz powiedzieć, przynajmniej bardzo uproszczone, ale prawdziwe i zrozumiałe o niektórych procesach w półprzewodnikach.

Przewodnictwo i struktura atomowa

Prąd elektryczny powstaje w wyniku ruchu elektronów w przewodniku. Aby zrozumieć, jak to się dzieje, będziesz musiał wziąć pod uwagę strukturę atomu. Rozważanie będzie oczywiście maksymalnie uproszczone, nawet prymitywne, ale pozwoli ci zrozumieć istotę procesu, nie więcej niż jest to konieczne do opisania działania półprzewodników.

W 1913 roku duński fizyk Niels Bohr zaproponował planetarny model atomu, który pokazano na rycinie 1.

Rysunek 1. Model atomu planetarnego

Według jego teorii atom składa się z jądra, które z kolei składa się z protonów i neutronów. Protony są nosicielami dodatniego ładunku elektrycznego, a neutrony są elektrycznie obojętne.

Wokół jądra elektrony obracają się na orbitach o ujemnym ładunku elektrycznym. Liczba protonów i elektronów w atomie jest taka sama, a ładunek elektryczny jądra jest zrównoważony całkowitym ładunkiem elektronów. W tym przypadku mówią, że atom jest w stanie równowagi lub jest elektrycznie obojętny, to znaczy, że nie przenosi ładunku dodatniego lub ujemnego.

Jeśli atom traci elektron, wówczas jego ładunek elektryczny staje się dodatni, a sam atom w tym przypadku staje się jonem dodatnim. Jeśli atom przyłącza się do obcego elektronu, wówczas nazywany jest jonem ujemnym.

Ryc. 2 pokazuje fragment układu okresowego. Zwróćmy uwagę na prostokąt, w którym znajduje się krzem (Si).

Ryc. 2. Fragment układu okresowego

W prawym dolnym rogu jest kolumna liczb. Pokazują one, w jaki sposób elektrony są rozmieszczone na orbitach atomu - najniższa cyfra najbliżej rdzenia orbity. Jeśli przyjrzysz się uważnie rysunkowi 1, możemy z całą pewnością stwierdzić, że mamy atom krzemu o rozkładzie elektronów 2, 8, 4. Rysunek 1 jest obszerny, prawie pokazuje, że orbity elektronów są kuliste, ale dla dalszego uzasadnienia możemy założyć, że one znajdują się w tej samej płaszczyźnie, a wszystkie elektrony biegną wzdłuż tego samego toru, jak pokazano na rysunku 3.

Rycina 3

Litery łacińskie na rycinie oznaczają powłokę. W zależności od liczby elektronów w atomie ich liczba może być różna, ale nie większa niż siedem: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Na każdej orbicie może być pewną liczbą elektronów. Na przykład w ostatnim Q jest ich aż 98, mniej jest możliwe, nie więcej. W rzeczywistości, jeśli chodzi o naszą historię, ten rozkład można zignorować: interesują nas tylko elektrony znajdujące się na zewnętrznej orbicie.

Oczywiście w rzeczywistości wszystkie elektrony nie obracają się wcale w tej samej płaszczyźnie: nawet 2 elektrony znajdujące się na orbicie o nazwie K obracają się na orbitach sferycznych znajdujących się bardzo blisko siebie. A co możemy powiedzieć o orbitach o wyższych poziomach! Tak się dzieje ... Ale dla uproszczenia rozumowania zakładamy, że wszystko dzieje się w jednej płaszczyźnie, jak pokazano na rycinie 3.

W tym przypadku nawet sieć krystaliczna może być prezentowana w płaskiej formie, co ułatwi zrozumienie materiału, chociaż w rzeczywistości jest znacznie bardziej skomplikowane. Płaska siatka jest pokazana na rysunku 4.

Rycina 4

Elektrony warstwy zewnętrznej nazywane są wartościowością. To one są pokazane na rysunku (inne elektrony w naszej historii nie mają znaczenia).To oni biorą udział w zjednoczeniu atomów w molekuły, a tworząc różne substancje, określają ich właściwości.

To oni mogą oderwać się od atomu i swobodnie wędrować, a jeśli istnieją jakieś warunki, wytworzyć prąd elektryczny. Ponadto w powłokach zewnętrznych zachodzą procesy, w wyniku których powstają tranzystory - półprzewodnikowe urządzenia wzmacniające.

Kontynuacja artykułu: Tranzystory Część 2. Przewodniki, izolatory i półprzewodniki.

Boris Aladyshkin