Tranzistori: mērķis, ierīce un darbības principi

Raksta pirmo daļu skatiet šeit: Tranzistora vēsture.

Ko nozīmē nosaukums "tranzistors"?

Tranzistors uzreiz nesaņēma tik pazīstamu vārdu. Sākotnēji pēc analoģijas ar lampu tehniku ​​to sauca pusvadītāju triode. Mūsdienu nosaukums sastāv no diviem vārdiem. Pirmais vārds ir “pārsūtīšana” (šeit es tūlīt atceros “transformators”) nozīmē raidītāju, pārveidotāju un nesēju. Un vārda otrā puse atgādina vārdu "rezistors" - elektrisko ķēžu detaļa, kuras galvenais īpašums ir elektriskā pretestība.

Tieši šī pretestība ir atrodama Ohmas likumos un daudzās citās elektrotehnikas formulās. Tāpēc vārdu "tranzistors" var interpretēt kā pretestības pārveidotāju. Aptuveni tāpat kā hidraulikā šķidruma plūsmas izmaiņas kontrolē vārsts. Tranzistoram šāds “vārsts” maina elektrisko lādiņu daudzumu, kas rada elektrisko strāvu. Šīs izmaiņas nav nekas cits kā pusvadītāju ierīces iekšējās pretestības izmaiņas.

Elektrisko signālu pastiprināšana

Visizplatītākā operācija, kas tiek veikta tranzistoriir elektrisko signālu pastiprināšana. Bet tas nav gluži pareizais izteiciens, jo vājš signāls no mikrofona paliek tāds.

Pastiprināšana ir nepieciešama arī radio un televīzijā: vājš signāls no miljardās vatu antenas ir jāpastiprina tādā mērā, lai iegūtu skaņas vai ekrāna attēlu. Un tas ir vairāku desmitu, un dažos gadījumos simtu vatu jauda. Tādēļ pastiprināšanas process tiek samazināts, lai nodrošinātu, ka ar papildu enerģijas avotiem, kas saņemti no barošanas avota, tiek iegūta vāja ieejas signāla jaudīga kopija. Citiem vārdiem sakot, mazjaudas ieeja stimulē spēcīgas enerģijas plūsmas.

Pastiprinājums citās tehnoloģiju un dabas jomās

Šādus piemērus var atrast ne tikai elektriskajās ķēdēs. Piemēram, nospiežot gāzes pedāli, automašīnas ātrums palielinās. Tajā pašā laikā jums nav ļoti smagi jāpiespiež gāzes pedālis - salīdzinājumā ar motora jaudu spiediens uz pedāli ir niecīgs. Lai samazinātu ātrumu, pedālis būs nedaudz jāatbrīvo, lai vājinātu ievades efektu. Šajā situācijā benzīns ir spēcīgs enerģijas avots.

To pašu efektu var novērot arī hidraulikā: ļoti maz tiek tērēts elektromagnētiskā vārsta atvēršanai, piemēram, darbgaldam. Un eļļas spiediens uz mehānisma virzuli var radīt vairāku tonnu spēku. Šo spēku var noregulēt, ja eļļas caurulē ir paredzēts regulējams vārsts, tāpat kā parastajā virtuves jaucējkrānā. Nedaudz pārklājies - spiediens samazinājās, spiediens kritās. Ja jūs atvērāt vairāk, tad spiediens pastiprinājās.

Arī vārsta pagriešanai nav jāpieliek īpašas pūles. Šajā gadījumā mašīnas sūknēšanas stacija ir ārējs enerģijas avots. Un dabā un tehnoloģijās ir ļoti daudz līdzīgu ietekmju. Bet tomēr, mūs vairāk interesē tranzistors, tāpēc mums būs jāapsver tālāk ...

Signālu pastiprinātāji

Lielākajā daļā pastiprinošo ķēžu kā mainīgu rezistoru tiek izmantoti tranzistori vai elektroniskās caurules, kuru pretestība mainās vāja ieejas signāla ietekmē. Šis "mainīgais rezistors" ir neatņemama līdzstrāvas ķēdes sastāvdaļa, kas saņem enerģiju, piemēram, no galvaniskās šūnas vai baterijas, tāpēc ķēdē sāk plūst pastāvīga strāva. Iestatot ķēdi, tiek iestatīta šīs strāvas sākotnējā vērtība (vēl nav ieejas signāla).

Ieejas signāla ietekmē aktīvā elementa (tranzistors vai lampa) iekšējā pretestība mainās laikā ar ieejas signālu. Tāpēc līdzstrāva pārvēršas par maiņstrāvu, izveidojot jaudīgu ieejas signāla kopiju pie slodzes. Cik precīza būs šī kopija, ir atkarīgs no daudziem nosacījumiem, bet par to mēs runāsim vēlāk.

Ieejas signāla darbība ir ļoti līdzīga iepriekšminētajam gāzes pedālim vai hidrauliskās sistēmas vārstam. Lai saprastu, kas ir šāds vārtu vārsts tranzistorā, jums jāpasaka, vismaz ļoti vienkāršoti, bet patiesi un saprotami par dažiem procesiem pusvadītājos.

Vadītspēja un atomu struktūra

Elektrisko strāvu rada elektronu kustības dēļ vadītājā. Lai saprastu, kā tas notiek, jums būs jāapsver atoma struktūra. Apsvērums, protams, būs pēc iespējas vienkāršots, pat primitīvs, taču ļaujot jums izprast procesa būtību, ne vairāk, kā nepieciešams pusvadītāju darbības aprakstīšanai.

1913. gadā dāņu fiziķis Nīls Bohrs ierosināja atoma planētas modeli, kas parādīts 1. attēlā.

1. attēls. Planētu atomu modelis

Pēc viņa teorijas, atoms sastāv no kodola, kas, savukārt, sastāv no protoniem un neitroniem. Protoni ir pozitīva elektriskā lādiņa nesēji, un neitroni ir elektriski neitrāli.

Ap kodolu elektroni rotē orbītās, kuru negatīvais elektriskais lādiņš ir. Protonu un elektronu skaits atomā ir vienāds, un kodola elektrisko lādiņu līdzsvaro ar kopējo elektronu lādiņu. Šajā gadījumā viņi saka, ka atoms ir līdzsvara stāvoklī vai ir elektriski neitrāls, tas ir, tas neveic pozitīvu vai negatīvu lādiņu.

Ja atoms zaudē elektronu, tad tā elektriskais lādiņš kļūst pozitīvs, un pats atoms šajā gadījumā kļūst par pozitīvu jonu. Ja atoms piestiprina sev svešu elektronu, tad to sauc par negatīvu jonu.

2. attēlā parādīts periodiskās tabulas fragments. Pievērsīsim uzmanību taisnstūrim, kurā atrodas silīcijs (Si).

Periodiskās tabulas fragments

Apakšējā labajā stūrī ir skaitļu kolonna. Tie parāda, kā elektroni tiek sadalīti pa atoma orbītām - apakšējais cipars, kas ir vistuvāk orbītas kodolam. Ja jūs uzmanīgi aplūkojat 1. attēlu, mēs ar pārliecību varam teikt, ka mums ir silīcija atoms ar elektronu sadalījumu 2, 8, 4. 1. attēls ir apjomīgs, tas gandrīz parāda, ka elektronu orbītas ir sfēriskas, taču turpmākai argumentācijai mēs varam pieņemt, ka tie ir vienā plaknē, un visi elektroni darbojas pa to pašu sliežu ceļu, kā parādīts 3. attēlā.

3. attēls

Latīņu burti attēlā norāda apvalku. Atkarībā no elektronu skaita atomā, to skaits var būt atšķirīgs, bet ne vairāk kā septiņi: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Katrā orbītā tas var jābūt noteiktam elektronu skaitam. Piemēram, pēdējā Q ir tik daudz kā 98, iespējams mazāk, ne vairāk. Faktiski, runājot par mūsu stāstu, šo sadalījumu var ignorēt: mūs interesē tikai elektroni, kas atrodas ārējā orbītā.

Protams, faktiski visi elektroni nemaz negriežas vienā plaknē: pat 2 elektroni, kas atrodas orbītā ar nosaukumu K, rotē sfēriskās orbītā, kas atrodas ļoti tuvu. Un ko mēs varam teikt par orbītām ar augstāku līmeni! Tur tas notiek ... Bet argumentācijas vienkāršības labad mēs pieņemam, ka viss notiek vienā plaknē, kā parādīts 3. attēlā.

Šajā gadījumā pat kristāla režģi var noformēt plakanā formā, kas atvieglos materiāla izpratni, lai gan patiesībā tas ir daudz sarežģītāk. Plakana režģis ir parādīts 4. attēlā.

4. attēls

Ārējā slāņa elektronus sauc par valenci. Tieši tie ir parādīti attēlā (atlikušajiem elektroniem nav nozīmes mūsu stāstam).Tieši viņi piedalās atomu apvienošanā molekulās un, veidojot dažādas vielas, nosaka to īpašības.

Tieši viņi var atdalīties no atoma un brīvi klīst un, ja ir kādi apstākļi, radīt elektrisko strāvu. Turklāt tieši ārējos apvalkos notiek procesi, kuru rezultātā rodas tranzistori - pusvadītāju pastiprināšanas ierīces.

Raksta turpinājums: Tranzistori 2. daļa. Diriģenti, izolatori un pusvadītāji.

Boriss Aladyshkin