Transistoren: Zweck, Vorrichtung und Funktionsprinzipien

Den ersten Teil des Artikels finden Sie hier: Transistorgeschichte.

Was bedeutet der Name "Transistor"?

Der Transistor erhielt nicht sofort einen so bekannten Namen. In Analogie zur Lampentechnik wurde es zunächst genannt Halbleitertriode. Der moderne Name besteht aus zwei Wörtern. Das erste Wort ist "Übertragung" (hier erinnere ich mich sofort an "Transformator") und bedeutet Sender, Wandler und Träger. Und die zweite Hälfte des Wortes ähnelt dem Wort "Widerstand" - ein Detail elektrischer Schaltkreise, deren Haupteigenschaft der elektrische Widerstand ist.

Es ist dieser Widerstand, der im Ohmschen Gesetz und vielen anderen Formeln der Elektrotechnik vorkommt. Daher kann das Wort "Transistor" als Widerstandswandler interpretiert werden. Etwa wie in der Hydraulik wird die Änderung des Flüssigkeitsstroms durch ein Ventil gesteuert. Bei einem Transistor ändert ein solches "Ventil" die Menge an elektrischen Ladungen, die einen elektrischen Strom erzeugen. Diese Änderung ist nichts anderes als eine Änderung des Innenwiderstands eines Halbleiterbauelements.

Verstärkung elektrischer Signale

Die häufigste Operation, die ausgeführt wird Transistorenist Verstärkung elektrischer Signale. Dies ist jedoch nicht ganz der richtige Ausdruck, da das schwache Signal vom Mikrofon so bleibt.

Eine Verstärkung ist auch in Radio und Fernsehen erforderlich: Ein schwaches Signal von einem Milliardstel einer Wattantenne muss so verstärkt werden, dass ein Ton- oder Bildschirmbild erhalten wird. Und dies ist eine Leistung von mehreren zehn und in einigen Fällen Hunderten von Watt. Daher wird der Verstärkungsprozess auf die Verwendung leistungsfähiger Energiequellen reduziert, die von der Stromversorgung empfangen werden, um eine leistungsstarke Kopie eines schwachen Eingangssignals zu erhalten. Mit anderen Worten, ein stromsparender Eingang stimuliert starke Energieflüsse.

Verstärkung in anderen Bereichen der Technologie und Natur

Solche Beispiele finden sich nicht nur in elektrischen Schaltkreisen. Wenn Sie beispielsweise das Gaspedal betätigen, erhöht sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Gleichzeitig müssen Sie das Gaspedal nicht sehr stark betätigen - im Vergleich zur Motorleistung ist die Kraft zum Drücken des Pedals vernachlässigbar. Um die Geschwindigkeit zu verringern, muss das Pedal etwas losgelassen werden, um den Eingangseffekt zu schwächen. In dieser Situation ist Benzin eine starke Energiequelle.

Der gleiche Effekt ist in der Hydraulik zu beobachten: Zum Öffnen eines elektromagnetischen Ventils, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine, wird nur sehr wenig ausgegeben. Und der Öldruck auf den Kolben des Mechanismus kann eine Kraft von mehreren Tonnen erzeugen. Diese Kraft kann reguliert werden, wenn ein einstellbares Ventil in der Ölleitung vorgesehen ist, wie bei einem herkömmlichen Küchenhahn. Leicht verdeckt - der Druck sank, der Druck sank. Wenn Sie mehr geöffnet haben, hat sich der Druck erhöht.

Es ist auch nicht erforderlich, besondere Anstrengungen zu unternehmen, um das Ventil zu drehen. In diesem Fall ist die Pumpstation der Maschine eine externe Energiequelle. Und es gibt sehr viele ähnliche Einflüsse in Natur und Technologie. Trotzdem interessieren wir uns mehr für den Transistor, also müssen wir weiter überlegen ...

Signalverstärker

In den meisten Verstärkerschaltungen werden Transistoren oder Elektronenröhren als variabler Widerstand verwendet, dessen Widerstand sich unter dem Einfluss eines schwachen Eingangssignals ändert. Dieser "variable Widerstand" ist ein integraler Bestandteil des Gleichstromkreises, der beispielsweise Strom von erhält galvanische Zellen oder Batterien, so dass ein konstanter Strom im Stromkreis zu fließen beginnt. Der Anfangswert dieses Stroms (es gibt noch kein Eingangssignal) wird beim Einrichten der Schaltung eingestellt.

Unter dem Einfluss des Eingangssignals ändert sich der Innenwiderstand des aktiven Elements (Transistor oder Lampe) zeitlich mit dem Eingangssignal. Daher wird Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, wodurch eine leistungsstarke Kopie des Eingangssignals an der Last erstellt wird. Wie genau diese Kopie sein wird, hängt von vielen Bedingungen ab, aber wir werden später darüber sprechen.

Die Wirkung des Eingangssignals ist dem oben erwähnten Gaspedal oder dem Ventil im Hydrauliksystem sehr ähnlich. Um zu verstehen, was ein solches Absperrschieberventil in einem Transistor ist, muss man zumindest sehr vereinfacht, aber wahr und verständlich über einige Prozesse in Halbleitern berichten.

Leitfähigkeit und Atomstruktur

Durch die Bewegung der Elektronen im Leiter entsteht ein elektrischer Strom. Um zu verstehen, wie dies geschieht, müssen Sie die Struktur des Atoms berücksichtigen. Die Betrachtung wird natürlich so vereinfacht wie möglich sein, sogar primitiv, aber damit Sie die Essenz des Prozesses verstehen können, ist nicht mehr erforderlich, als zur Beschreibung des Betriebs von Halbleitern erforderlich ist.

1913 schlug der dänische Physiker Niels Bohr ein Planetenmodell des Atoms vor, das in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1. Planetenatommodell

Nach seiner Theorie besteht ein Atom aus einem Kern, der wiederum aus Protonen und Neutronen besteht. Protonen sind Träger einer positiven elektrischen Ladung und Neutronen sind elektrisch neutral.

Um den Kern drehen sich Elektronen in Bahnen, deren negative elektrische Ladung ist. Die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Atom ist gleich, und die elektrische Ladung des Kerns wird durch die Gesamtladung der Elektronen ausgeglichen. In diesem Fall sagen sie, dass sich das Atom in einem Gleichgewichtszustand befindet oder elektrisch neutral ist, das heißt, es trägt keine positive oder negative Ladung.

Wenn ein Atom ein Elektron verliert, wird seine elektrische Ladung positiv und das Atom selbst wird in diesem Fall ein positives Ion. Wenn ein Atom ein Fremdelektron an sich bindet, spricht man von einem negativen Ion.

Abbildung 2 zeigt ein Fragment des Periodensystems. Achten wir auf das Rechteck, in dem sich Silizium (Si) befindet.

Abbildung 2. Fragment des Periodensystems

In der unteren rechten Ecke befindet sich eine Zahlenspalte. Sie zeigen, wie die Elektronen über die Umlaufbahnen des Atoms verteilt sind - die unterste Ziffer, die dem Kern der Umlaufbahn am nächsten liegt. Wenn Sie sich Abbildung 1 genau ansehen, können wir mit Sicherheit sagen, dass wir ein Siliziumatom mit einer Elektronenverteilung von 2, 8, 4 haben. Abbildung 1 ist voluminös, es zeigt fast, dass die Bahnen der Elektronen sphärisch sind, aber für weitere Überlegungen können wir davon ausgehen, dass sie befinden sich in derselben Ebene und alle Elektronen laufen auf derselben Spur, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3

Lateinische Buchstaben in der Abbildung geben die Schale an. Abhängig von der Anzahl der Elektronen in einem Atom kann ihre Anzahl unterschiedlich sein, jedoch nicht mehr als sieben: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. In jeder Umlaufbahn kann dies möglich sein eine bestimmte Anzahl von Elektronen sein. Zum Beispiel gibt es beim letzten Q bis zu 98, weniger ist möglich, nicht mehr. Tatsächlich kann diese Verteilung in Bezug auf unsere Geschichte ignoriert werden: Wir interessieren uns nur für Elektronen, die sich in der äußeren Umlaufbahn befinden.

Tatsächlich drehen sich natürlich nicht alle Elektronen in derselben Ebene: Sogar 2 Elektronen, die sich in einer Umlaufbahn mit dem Namen K befinden, drehen sich in sphärischen Umlaufbahnen, die sich sehr nahe befinden. Und was können wir über Umlaufbahnen mit höheren Ebenen sagen? Dort passiert es ... Der Einfachheit halber nehmen wir jedoch an, dass alles in einer Ebene geschieht, wie in Abbildung 3 dargestellt.

In diesem Fall kann sogar das Kristallgitter in einer flachen Form dargestellt werden, was das Verständnis des Materials erleichtert, obwohl es tatsächlich viel komplizierter ist. Das flache Gitter ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4

Die Elektronen der äußeren Schicht werden Valenz genannt. Sie sind in der Abbildung dargestellt (die verbleibenden Elektronen spielen für unsere Geschichte keine Rolle).Sie sind an der Vereinigung von Atomen zu Molekülen beteiligt und bestimmen bei der Erzeugung verschiedener Substanzen ihre Eigenschaften.

Sie sind es, die sich vom Atom lösen und frei wandern können und unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom erzeugen können. Darüber hinaus finden in den Außenschalen die Prozesse statt, die zu Transistoren führen - Halbleiterverstärkungsvorrichtungen.

Fortsetzung des Artikels: Transistoren Teil 2. Leiter, Isolatoren und Halbleiter.

Boris Aladyshkin