Transistorer: syfte, enhet och principer för drift

Se den första delen av artikeln här: Transistorhistoria.

Vad betyder namnet "transistor"

Transistorn fick inte omedelbart ett så välkänt namn. Ursprungligen kallades det, analogt med lamptekniken halvledartriode. Det moderna namnet består av två ord. Det första ordet är "överföring" (här, jag minns omedelbart "transformator") betyder en sändare, omvandlare och bärare. Och ordets andra hälft liknar ordet "motstånd" - en detalj av elektriska kretsar, vars huvudegenskap är elektrisk motstånd.

Det är detta motstånd som förekommer i Ohms lag och många andra formler för elektroteknik. Därför kan ordet "transistor" tolkas som en motståndskonverterare. Ungefär detsamma som i hydraulik styrs förändringen i fluidflödet av en ventil. För en transistor ändrar en sådan "ventil" mängden elektriska laddningar som skapar en elektrisk ström. Denna förändring är inget annat än en förändring i det inre motståndet hos en halvledaranordning.

Förstärkning av elektriska signaler

Den vanligaste operationen som utförs transistorerdet är förstärkning av elektriska signaler. Men detta är inte riktigt det rätta uttrycket, eftersom den svaga signalen från mikrofonen förblir så.

Förstärkning krävs också i radio och tv: en svag signal från en miljardt wattantenn måste förstärkas så att ett ljud eller bild visas på skärmen. Och detta är en effekt på flera tiotals, och i vissa fall hundratals watt. Därför reduceras förstärkningsprocessen för att säkerställa att man använder ytterligare energikällor som mottas från strömförsörjningen för att erhålla en kraftfull kopia av en svag insignal. Med andra ord, en låg effektinmatning stimulerar kraftfulla energiflöden.

Förstärkning inom andra områden inom teknik och natur

Sådana exempel finns inte bara i elektriska kretsar. När du till exempel trycker på gaspedalen ökar hastigheten på bilen. Samtidigt behöver du inte trycka på gaspedalen mycket hårt - jämfört med motorns kraft är trycket på pedalen försumbar. För att minska hastigheten måste pedalen släppas något för att försvaga ingångseffekten. I denna situation är bensin en kraftfull energikälla.

Samma effekt kan observeras i hydraulik: mycket lite spenderas på att öppna en elektromagnetisk ventil, till exempel i ett maskinverktyg. Och oljetrycket på mekanismens kolv kan skapa en kraft på flera ton. Denna kraft kan justeras om en justerbar ventil är anordnad i oljeröret, som i en konventionell kökskran. Lätt täckt - trycket sjönk, trycket sjönk. Om du öppnade mer intensifierades trycket.

Det är inte heller nödvändigt att göra speciella ansträngningar för att vrida ventilen. I detta fall är maskinens pumpstation en extern energikälla. Och det finns många liknande påverkan på natur och teknik. Men ändå är vi mer intresserade av transistorn, så vi måste överväga ytterligare ...

Signalförstärkare

I de flesta förstärkande kretsar används transistorer eller elektroniska rör som ett variabelt motstånd, vars motstånd ändras under påverkan av en svag insignal. Detta "variabla motstånd" är en integrerad del av DC-kretsen, som till exempel tar emot ström från galvaniska celler eller batterier, så en konstant ström börjar flöda i kretsen. Det initiala värdet på denna ström (det finns ingen insignal ännu) ställs in vid inställning av kretsen.

Under påverkan av insignalen förändras det aktiva elementets (transistor eller lampans) inre motstånd i tid med insignalen. Därför förvandlas likström till växelström, vilket skapar en kraftfull kopia av insignalen vid belastningen. Hur exakt denna kopia kommer att vara beror på många villkor, men vi kommer att prata om det senare.

Insignalens verkan är mycket lik gaspedalen som nämns ovan eller ventilen i det hydrauliska systemet. För att förstå vad som är en sådan grindventil i en transistor måste du berätta, åtminstone mycket förenklad, men sann och förståelig om vissa processer i halvledare.

Konduktivitet och atomstruktur

En elektrisk ström skapas på grund av elektronernas rörelse i ledaren. För att förstå hur detta händer måste du ta hänsyn till atomens struktur. Övervägandet kommer naturligtvis att vara så förenklad som möjligt, till och med primitiv, men tillåter dig att förstå essensen i processen, inte mer än nödvändigt för att beskriva funktionen för halvledare.

1913 föreslog den danska fysikern Niels Bohr en planetmodell av atomen, som visas i figur 1.

Bild 1. Planetatommodell

Enligt hans teori består en atom av en kärna, som i sin tur består av protoner och neutroner. Protoner är bärare med en positiv elektrisk laddning och neutroner är elektriskt neutrala.

Runt kärnan roterar elektroner i banor vars negativa elektriska laddning är. Antalet protoner och elektroner i en atom är detsamma, och den elektriska laddningen i kärnan balanseras av den totala laddningen av elektroner. I detta fall säger de att atomen är i ett jämviktstillstånd eller är elektriskt neutralt, det vill säga att den inte har en positiv eller negativ laddning.

Om en atom förlorar en elektron, blir dess elektriska laddning positiv, och själva atomen blir i detta fall en positiv jon. Om en atom fäster på sig en främmande elektron kallas den en negativ jon.

Figur 2 visar ett fragment av det periodiska systemet. Låt oss uppmärksamma den rektangel där kisel (Si) är belägen.

Figur 2. Fragment av det periodiska systemet

I det nedre högra hörnet finns en kolumn med siffror. De visar hur elektronerna är fördelade över atomens bana - den nedersta siffran närmast kärnan i banan. Om du tittar noggrant på figur 1 kan vi säga med tillförsikt att vi har en kiselatom med en elektronfördelning på 2, 8, 4. Figur 1 är omfattande, det visar nästan att banorna i elektronerna är sfäriska, men för ytterligare resonemang kan vi anta att de är i samma plan, och alla elektroner körs längs samma spår, som visas i figur 3.

Figur 3

Latinska bokstäver i figuren indikerar skalet. Beroende på antalet elektroner i en atom kan antalet vara olika, men högst sju: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. I varje bana kan det vara ett visst antal elektroner. Till exempel på det sista Q finns det så många som 98, mindre är möjligt, inte mer. Faktiskt, i termer av vår historia, kan denna distribution ignoreras: vi är bara intresserade av elektroner belägna i den yttre bana.

Naturligtvis roterar faktiskt inte alla elektroner i samma plan alls: till och med 2 elektroner som är i en bana med namnet K roterar i sfäriska banor som ligger mycket nära. Och vad kan vi säga om banor med högre nivåer! Där händer det ... Men för enkelhetens resonemang antar vi att allt händer i ett plan, som visas i figur 3.

I detta fall kan även kristallgitteret presenteras i platt form, vilket underlättar förståelsen av materialet, även om det faktiskt är mycket mer komplicerat. Det plana nätet visas i figur 4.

Figur 4

Det yttre lagrets elektroner kallas valens. Det är de som visas i figuren (de återstående elektronerna spelar ingen roll för vår berättelse).Det är de som deltar i föreningen av atomer till molekyler, och när de skapar olika ämnen bestämmer de deras egenskaper.

Det är de som kan bryta sig loss från atomen och vandra fritt, och om det finns vissa förhållanden, skapa en elektrisk ström. Dessutom är det i de yttre skalen som processerna inträffar som resulterar i transistorer - halvledarförstärkningsanordningar.

Fortsättning av artikeln: Transistorer. Del 2. Ledare, isolatorer och halvledare.

Boris Aladyshkin