Tranzistoare: scop, dispozitiv și principii de funcționare

Vezi aici prima parte a articolului: Istoric tranzistor.

Ce înseamnă numele „tranzistor”

Tranzistorul nu a primit imediat un nume atât de cunoscut. Inițial, prin analogie cu tehnica lămpii, a fost numită triod semiconductor. Numele modern este format din două cuvinte. Primul cuvânt este „transfer” (aici amintesc imediat „transformator”) înseamnă un transmițător, convertor și purtător. Iar a doua jumătate a cuvântului seamănă cu cuvântul „rezistor” - un detaliu al circuitelor electrice, a cărui proprietate principală este rezistența electrică.

Această rezistență apare în legea lui Ohm și în multe alte formule de inginerie electrică. Prin urmare, cuvântul "tranzistor" poate fi interpretat ca un convertor de rezistență. Cam la fel ca în hidraulică, schimbarea debitului de fluid este controlată de o supapă. Pentru un tranzistor, o astfel de „supapă” modifică cantitatea de sarcini electrice care creează un curent electric. Această schimbare nu este decât o schimbare a rezistenței interne a unui dispozitiv semiconductor.

Amplificarea semnalelor electrice

Cea mai frecventă operație care este efectuată tranzistorieste amplificarea semnalelor electrice. Dar aceasta nu este expresia corectă, deoarece semnalul slab de la microfon rămâne așa.

Amplificarea este, de asemenea, necesară în radio și televiziune: un semnal slab de la o antenă miliardă de watt trebuie să fie amplificat într-o măsură în care un sunet sau o imagine să apară pe ecran. Și aceasta este o putere de câteva zeci și, în unele cazuri, sute de wați. Prin urmare, procesul de amplificare este redus pentru a se asigura că, cu ajutorul unor surse suplimentare de energie primite de la sursa de alimentare, se obține o copie puternică a unui semnal de intrare slab. Cu alte cuvinte, o intrare cu putere redusă stimulează fluxurile puternice de energie.

Amplificare în alte domenii ale tehnologiei și naturii

Astfel de exemple pot fi găsite nu numai în circuitele electrice. De exemplu, când apăsați pedala de gaz, viteza mașinii crește. În același timp, nu trebuie să apăsați foarte tare pedala de gaz - în comparație cu puterea motorului, presiunea pe pedală este neglijabilă. Pentru a reduce viteza, pedala va trebui să fie eliberată oarecum, pentru a slăbi efectul de intrare. În această situație, benzina este o sursă puternică de energie.

Același efect se poate observa și în hidraulică: se cheltuie foarte puțin la deschiderea unei supape electromagnetice, de exemplu într-o mașină-unealtă. Iar presiunea uleiului pe pistonul mecanismului poate crea o forță de câteva tone. Această forță poate fi reglată dacă este prevăzută o supapă reglabilă în conducta de ulei, ca într-un robinet de bucătărie convențional. Ușor acoperit - presiunea a scăzut, presiunea a scăzut. Dacă ați deschis mai mult, atunci presiunea s-a intensificat.

De asemenea, nu este necesar să faceți eforturi speciale pentru a întoarce supapa. În acest caz, sursa externă de energie este stația de pompare a mașinii. Și există multe influențe similare în natură și tehnologie. Dar totuși, suntem mai interesați de tranzistor, așa că va trebui să luăm în considerare în continuare ...

Amplificatoare de semnal

În majoritatea circuitelor de amplificare, tranzistorii sau tuburile electronice sunt utilizate ca un rezistor variabil, a cărui rezistență se schimbă sub influența unui semnal de intrare slab. Acest „rezistor variabil” este o parte integrantă a circuitului de curent continuu, care primește energie, de exemplu, de la celule galvanice sau baterii, astfel încât un curent constant începe să curgă în circuit. Valoarea inițială a acestui curent (încă nu există semnal de intrare) este setată la configurarea circuitului.

Sub influența semnalului de intrare, rezistența internă a elementului activ (tranzistor sau lampă) se schimbă în timp cu semnalul de intrare. Prin urmare, curentul continuu se transformă în curent alternativ, creând o copie puternică a semnalului de intrare la sarcină. Cât de exactă va fi această copie depinde de multe condiții, dar vom vorbi despre asta mai târziu.

Acțiunea semnalului de intrare este foarte similară cu pedala de gaz menționată mai sus sau cu supapa în sistemul hidraulic. Pentru a înțelege ce este un astfel de robinet de poartă într-un tranzistor, trebuie să spuneți, cel puțin foarte simplificat, dar adevărat și de înțeles despre unele procese din semiconductori.

Conductivitatea și structura atomică

Un curent electric este creat datorită mișcării electronilor în conductor. Pentru a înțelege cum se întâmplă acest lucru, va trebui să luați în considerare structura atomului. Considerația, desigur, va fi cât se poate de simplificată, chiar primitivă, dar permițându-vă să înțelegeți esența procesului, nu mai mult decât este necesar pentru a descrie funcționarea semiconductorilor.

În 1913, fizicianul danez Niels Bohr a propus un model planetar al atomului, care este prezentat în figura 1.

Figura 1. Modelul atomului planetar

Conform teoriei sale, un atom este format dintr-un nucleu, care, la rândul său, este format din protoni și neutroni. Protonii sunt purtători ai unei sarcini electrice pozitive, iar neutronii sunt neutri din punct de vedere electric.

În jurul nucleului, electronii se rotesc în orbite a căror sarcină electrică negativă este. Numărul protonilor și electronilor dintr-un atom este același, iar sarcina electrică a nucleului este echilibrată de sarcina totală a electronilor. În acest caz, ei spun că atomul se află într-o stare de echilibru sau este neutru din punct de vedere electric, adică nu are o sarcină pozitivă sau negativă.

Dacă un atom pierde un electron, atunci sarcina sa electrică devine pozitivă, iar atomul în sine în acest caz devine un ion pozitiv. Dacă un atom se atașează de sine de un electron străin, atunci se numește ion negativ.

Figura 2 prezintă un fragment din tabelul periodic. Să fim atenți la dreptunghiul în care se află siliconul (Si).

Figura 2. Fragment din tabelul periodic

În colțul din dreapta jos se află o coloană de numere. Acestea arată modul în care electronii sunt distribuiți pe orbitele atomului - cifra de jos cea mai apropiată de miezul orbitei. Dacă te uiți cu atenție la Figura 1, putem spune cu încredere că avem un atom de siliciu cu o distribuție de electroni de 2, 8, 4. Figura 1 este voluminoasă, aproape arată că orbitele electronilor sunt sferice, dar pentru mai multe raționamente, putem presupune că acestea sunt în același plan și toți electronii rulează pe aceeași cale, așa cum se arată în figura 3.

Figura 3

Literele latine din figură indică cochilia. În funcție de numărul de electroni dintr-un atom, numărul lor poate fi diferit, dar nu mai mult de șapte: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. În fiecare orbită, se poate să fie un anumit număr de electroni. De exemplu, pe ultimul Q există 98, mai puțin este posibil, nu mai mult. De fapt, în ceea ce privește povestea noastră, această distribuție poate fi ignorată: ne interesează doar electronii situați pe orbita exterioară.

Desigur, de fapt, toți electronii nu se rotește deloc în același plan: chiar și 2 electroni care se află pe o orbită cu numele K se rotesc în orbitele sferice situate foarte aproape. Și ce putem spune despre orbitele cu niveluri mai ridicate! Acolo se întâmplă ... Dar pentru simplitatea raționamentului, presupunem că totul se întâmplă într-un singur plan, așa cum se arată în figura 3.

În acest caz, chiar și rețeaua de cristal poate fi prezentată într-o formă plană, ceea ce va facilita înțelegerea materialului, deși este de fapt mult mai complicat. Grila plană este prezentată în figura 4.

Figura 4

Electronii stratului exterior se numesc valență. Aceștia sunt arătați în figură (electronii rămași nu contează pentru povestea noastră).Aceștia participă la unirea atomilor în molecule și, atunci când creează diferite substanțe, își determină proprietățile.

Ei sunt aceia care se pot despărți de atom și să se rătăcească liber și, dacă există anumite condiții, să creeze un curent electric. În plus, în carcasele exterioare apar procesele care duc la tranzistoare - dispozitive de amplificare a semiconductorilor.

Continuarea articolului: Tranzistori. Partea 2. Conductori, izolatori și semiconductori.

Boris Aladyshkin