ทรานซิสเตอร์: วัตถุประสงค์อุปกรณ์และหลักการทำงาน

ดูส่วนแรกของบทความที่นี่: ประวัติทรานซิสเตอร์.

ชื่อ "ทรานซิสเตอร์" หมายถึงอะไร

ทรานซิสเตอร์ไม่ได้รับชื่อที่คุ้นเคยในทันที ในขั้นต้นโดยการเปรียบเทียบกับเทคนิคหลอดไฟมันถูกเรียกว่า เซมิคอนดักเตอร์ triode. ชื่อที่ทันสมัยประกอบด้วยสองคำ คำแรกคือ "การถ่ายโอน" (ที่นี่ฉันจำได้ทันทีว่า "หม้อแปลง") หมายถึงเครื่องส่งสัญญาณตัวแปลงและตัวยึด และช่วงครึ่งหลังของคำมีลักษณะคล้ายกับคำว่า "ตัวต้านทาน" - รายละเอียดของวงจรไฟฟ้าคุณสมบัติหลักของความต้านทานไฟฟ้า

มันเป็นความต้านทานที่เกิดขึ้นในกฎของโอห์มและสูตรทางวิศวกรรมไฟฟ้าอื่น ๆ อีกมากมาย ดังนั้นคำว่า "ทรานซิสเตอร์" สามารถตีความได้ว่าเป็นตัวแปลงความต้านทาน เรื่องเดียวกับในชลศาสตร์การเปลี่ยนแปลงของการไหลของของไหลถูกควบคุมโดยวาล์ว สำหรับทรานซิสเตอร์เช่น“ วาล์ว” จะเปลี่ยนปริมาณประจุไฟฟ้าที่สร้างกระแสไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายในของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

การขยายสัญญาณไฟฟ้า

การดำเนินการทั่วไปที่เกิดขึ้น ทรานซิสเตอร์มันเป็น การขยายสัญญาณไฟฟ้า. แต่นี่ไม่ใช่การแสดงออกที่เหมาะสมเพราะสัญญาณที่อ่อนแอจากไมโครโฟนยังคงอยู่

จำเป็นต้องมีการขยายในวิทยุและโทรทัศน์ด้วย: สัญญาณที่อ่อนแอจากเสาอากาศกำลังพันล้านต้องขยายออกไปจนถึงระดับที่ได้รับเสียงหรือภาพหน้าจอ และนี่คือพลังของหลายสิบและในบางกรณีหลายร้อยวัตต์ ดังนั้นกระบวนการขยายจะลดลงเป็นการใช้แหล่งพลังงานที่ได้รับจากแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้ได้สำเนาที่มีประสิทธิภาพของสัญญาณอินพุตที่อ่อนแอ กล่าวอีกนัยหนึ่งอินพุตที่ใช้พลังงานต่ำจะช่วยกระตุ้นการไหลของพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

การขยายในด้านอื่น ๆ ของเทคโนโลยีและธรรมชาติ

ตัวอย่างดังกล่าวสามารถพบได้ไม่เพียง แต่ในวงจรไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณกดคันเร่งความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้น ในเวลาเดียวกันคุณไม่จำเป็นต้องเหยียบคันเร่งอย่างหนัก - เมื่อเปรียบเทียบกับกำลังของเครื่องยนต์พลังของการเหยียบแป้นจะน้อยมาก เพื่อลดความเร็วคันเร่งจะต้องถูกปล่อยออกมาบ้างเพื่อทำให้เอฟเฟกต์อ่อนลง ในสถานการณ์เช่นนี้น้ำมันเบนซินเป็นแหล่งพลังงานที่ทรงพลัง

สามารถสังเกตเห็นผลแบบเดียวกันในระบบไฮดรอลิกส์: ใช้เวลาน้อยมากในการเปิดวาล์วไฟฟ้าเช่นในเครื่องมือเครื่องจักร และแรงดันน้ำมันบนลูกสูบของกลไกสามารถสร้างแรงได้หลายตัน แรงนี้สามารถควบคุมได้หากมีวาล์วปรับในท่อน้ำมันเช่นเดียวกับก๊อกน้ำในครัวทั่วไป ปิดไว้เล็กน้อย - แรงดันตก, แรงดันลดลง หากคุณเปิดมากกว่านั้นแรงกดดันก็ทวีขึ้น

ไม่จำเป็นต้องใช้ความพยายามพิเศษในการหมุนวาล์ว ในกรณีนี้สถานีสูบน้ำของเครื่องเป็นแหล่งพลังงานภายนอก และมีอิทธิพลที่คล้ายกันมากมายในธรรมชาติและเทคโนโลยี แต่ถึงกระนั้นเรามีความสนใจในทรานซิสเตอร์มากขึ้นดังนั้นเราจะต้องพิจารณาเพิ่มเติม ...

เครื่องขยายสัญญาณ

ในวงจรขยายสัญญาณส่วนใหญ่ทรานซิสเตอร์หรือหลอดอิเล็กตรอนถูกใช้เป็นตัวต้านทานตัวแปรความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของสัญญาณอินพุตอ่อน "ตัวต้านทานผันแปร" นี้เป็นส่วนหนึ่งของวงจร DC ซึ่งได้รับพลังงานตัวอย่างเช่นจาก เซลล์ไฟฟ้า หรือแบตเตอรี่ดังนั้นกระแสคงที่เริ่มไหลในวงจร ค่าเริ่มต้นของกระแสนี้ (ยังไม่มีสัญญาณอินพุต) ถูกตั้งค่าเมื่อตั้งค่าวงจร

ภายใต้อิทธิพลของสัญญาณอินพุตความต้านทานภายในขององค์ประกอบที่ใช้งาน (ทรานซิสเตอร์หรือหลอดไฟ) จะเปลี่ยนแปลงตามเวลาด้วยสัญญาณอินพุต ดังนั้นกระแสตรงจะเปลี่ยนเป็นกระแสสลับเพื่อสร้างสำเนาที่มีประสิทธิภาพของสัญญาณอินพุตที่โหลด ความถูกต้องของสำเนานี้จะขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหลายประการ แต่เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง

การทำงานของสัญญาณอินพุตนั้นคล้ายกับคันเร่งดังกล่าวข้างต้นหรือวาล์วในระบบไฮดรอลิก เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งที่เป็นประตูวาล์วในทรานซิสเตอร์คุณต้องบอกอย่างน้อยก็ง่ายมาก แต่จริงและเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการบางอย่างในเซมิคอนดักเตอร์

โครงสร้างการนำไฟฟ้าและอะตอม

กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในตัวนำ เพื่อให้เข้าใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรคุณจะต้องพิจารณาโครงสร้างของอะตอม แน่นอนว่าการพิจารณาจะง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้แม้แต่ดั้งเดิม แต่ช่วยให้คุณเข้าใจสาระสำคัญของกระบวนการไม่จำเป็นต้องอธิบายถึงการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์

ในปี 1913 นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr เสนอแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมซึ่งแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 โมเดลอะตอมดาวเคราะห์

ตามทฤษฎีของเขาอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอน โปรตอนเป็นพาหะของประจุไฟฟ้าบวกและนิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า

อิเล็กตรอนหมุนรอบวงโคจรที่มีประจุไฟฟ้าลบ จำนวนของโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากันและประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสนั้นสมดุลกันด้วยประจุของอิเล็กตรอนทั้งหมด ในกรณีนี้พวกเขาบอกว่าอะตอมอยู่ในสภาวะสมดุลหรือเป็นกลางทางไฟฟ้านั่นคือมันไม่ได้มีประจุบวกหรือประจุลบ

หากอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนประจุไฟฟ้าจะกลายเป็นบวกและอะตอมในกรณีนี้จะกลายเป็นไอออนบวก ถ้าอะตอมติดกับอิเล็กตรอนแปลกปลอมจะเรียกว่าไอออนลบ

รูปที่ 2 แสดงส่วนของตารางธาตุ เรามาดูสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ซิลิคอน (Si) อยู่

รูปที่ 2 ส่วนของตารางธาตุ

ที่มุมขวาล่างคือคอลัมน์ของตัวเลข พวกมันแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนนั้นถูกกระจายไปยังวงโคจรของอะตอมอย่างไร - ตัวเลขด้านล่างใกล้กับแกนของวงโคจร ถ้าคุณดูรูปที่ 1 อย่างใกล้ชิดเราสามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าเรามีอะตอมซิลิคอนที่มีการกระจายอิเล็กตรอนเป็น 2, 8, 4 รูปที่ 1 มีขนาดใหญ่เกือบจะแสดงให้เห็นว่าวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นเป็นทรงกลม แต่สำหรับเหตุผลเพิ่มเติม อยู่ในระนาบเดียวกันและอิเล็กตรอนทั้งหมดวิ่งไปตามรอยทางเดียวกันดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3

ตัวอักษรละตินในรูปภาพบ่งบอกถึงเปลือก ขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจำนวนของพวกเขาอาจแตกต่างกัน แต่ไม่เกินเจ็ด: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98 ในแต่ละวงโคจรมันสามารถ เป็นจำนวนอิเล็กตรอนที่แน่นอน ตัวอย่างเช่นใน Q ล่าสุดมีมากถึง 98 น้อยที่สุดไม่มาก ที่จริงแล้วในแง่ของเรื่องราวของเราการกระจายนี้สามารถเพิกเฉยได้: เราสนใจเฉพาะอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรรอบนอก

แน่นอนว่าในความเป็นจริงอิเล็กตรอนทุกตัวไม่หมุนในระนาบเดียวกันเลยแม้แต่อิเล็กตรอน 2 ตัวที่อยู่ในวงโคจรที่ชื่อ K หมุนในวงโคจรทรงกลมที่อยู่ใกล้มาก และสิ่งที่เราสามารถพูดเกี่ยวกับวงโคจรที่มีระดับที่สูงขึ้น! มันเกิดขึ้น ... แต่สำหรับความเรียบง่ายของการให้เหตุผลเราถือว่าทุกอย่างเกิดขึ้นในระนาบเดียวดังแสดงในรูปที่ 3

ในกรณีนี้แม้ผลึกขัดแตะสามารถนำเสนอในรูปแบบแบนซึ่งจะช่วยให้เข้าใจวัสดุแม้ว่าในความเป็นจริงมันซับซ้อนมากขึ้น กริดแบบแบนจะแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4

อิเล็กตรอนของชั้นนอกเรียกว่าวาเลนซ์ มันคือสิ่งที่แสดงในรูป (อิเล็กตรอนที่เหลือไม่สำคัญสำหรับเรื่องราวของเรา)พวกเขาคือผู้ที่มีส่วนร่วมในการรวมตัวกันของอะตอมเป็นโมเลกุลและเมื่อสร้างสารที่แตกต่างกันพวกเขากำหนดคุณสมบัติของพวกเขา

พวกเขาคือผู้ที่สามารถแยกตัวออกจากอะตอมและเดินได้อย่างอิสระและหากมีเงื่อนไขให้สร้างกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้มันยังอยู่ในเปลือกนอกที่กระบวนการเกิดขึ้นซึ่งส่งผลให้ทรานซิสเตอร์ - อุปกรณ์ขยายสัญญาณเซมิคอนดักเตอร์

ความต่อเนื่องของบทความ: ทรานซิสเตอร์ ส่วนที่ 2 ตัวนำฉนวนและสารกึ่งตัวนำ.

Boris Aladyshkin