Transistorer: formål, enhet og prinsipper for drift

Se den første delen av artikkelen her: Transistor historie.

Hva betyr navnet "transistor"

Transistoren fikk ikke umiddelbart et så kjent navn. Opprinnelig ble det kalt det, analogt med lampeteknikken halvledertriode. Det moderne navnet består av to ord. Det første ordet er "overføring" (her husker jeg øyeblikkelig "transformator") betyr en sender, omformer og transportør. Og den andre halvdelen av ordet ligner ordet "motstand" - en detalj av elektriske kretsløp, hvis viktigste egenskap er elektrisk motstand.

Det er denne motstanden som forekommer i Ohms lov og mange andre formler for elektroteknikk. Derfor kan ordet "transistor" tolkes som en motstandskonverterer. Omtrent det samme som i hydraulikk styres endringen i væskestrømmen av en ventil. For en transistor endrer en slik "ventil" mengden elektriske ladninger som skaper en elektrisk strøm. Denne endringen er ikke annet enn en endring i den interne motstanden til en halvlederenhet.

Forsterkning av elektriske signaler

Den vanligste operasjonen som utføres transistorerdet er forsterkning av elektriske signaler. Men dette er ikke helt det rette uttrykket, fordi det svake signalet fra mikrofonen forblir det.

Forsterkning er også nødvendig i radio og TV: et svakt signal fra en milliardt watt antenne må forsterkes i en slik grad at det vises en lyd eller et bilde på skjermen. Og dette er en styrke på flere titalls, og i noen tilfeller hundre watt. Derfor reduseres forsterkningsprosessen for å sikre at ved hjelp av ytterligere energikilder mottatt fra strømforsyningen, for å få en kraftig kopi av et svakt inngangssignal. Med andre ord, et lite effektinngang stimulerer kraftige energistrømmer.

Forsterkning på andre områder av teknologi og natur

Slike eksempler finnes ikke bare i elektriske kretser. Når du for eksempel trykker på bensinpedalen, øker hastigheten på bilen. Samtidig trenger du ikke å trykke gasspedalen veldig hardt - i sammenligning med motorkraften er trykket på pedalen ubetydelig. For å redusere hastigheten må pedalen slippes noe for å svekke inngangseffekten. I denne situasjonen er bensin en kraftig energikilde.

Den samme effekten kan observeres i hydraulikk: veldig lite blir brukt på å åpne en elektromagnetisk ventil, for eksempel i et maskinverktøy. Og oljetrykket på stempelet på mekanismen kan skape en styrke på flere tonn. Denne kraften kan justeres hvis det er anordnet en justerbar ventil i oljerøret, som i en vanlig kjøkkenkran. Litt dekket opp - trykket falt, trykket falt. Hvis du åpnet mer, intensiveres presset.

Det er heller ikke nødvendig å gjøre spesielle anstrengelser for å vri ventilen. I dette tilfellet er maskinens pumpestasjon en ekstern energikilde. Og det er veldig mange lignende påvirkninger i natur og teknologi. Men likevel er vi mer interessert i transistoren, så vi må vurdere videre ...

Signalforsterkere

I de fleste forsterkende kretser brukes transistorer eller elektroniske rør som en variabel motstand, hvis motstand endres under påvirkning av et svakt inngangssignal. Denne "variable motstanden" er en integrert del av DC-kretsen, som for eksempel mottar strøm fra galvaniske celler eller batterier, så en konstant strøm begynner å strømme i kretsen. Startverdien for denne strømmen (det er ikke noe inngangssignal ennå) settes når du setter opp kretsen.

Under påvirkning av inngangssignalet endres den interne motstanden til det aktive elementet (transistor eller lampe) i tid med inngangssignalet. Derfor blir likestrøm til vekselstrøm, og skaper en kraftig kopi av inngangssignalet ved belastningen. Hvor nøyaktig denne kopien vil være avhenger av mange forhold, men vi vil snakke om dette senere.

Handlingen til inngangssignalet er veldig lik gasspedalen som er nevnt over eller ventilen i det hydrauliske systemet. For å forstå hva som er en slik portventil i en transistor, må du fortelle, i det minste veldig forenklet, men sann og forståelig om noen prosesser i halvledere.

Konduktivitet og atomstruktur

En elektrisk strøm opprettes på grunn av bevegelse av elektroner i lederen. For å forstå hvordan dette skjer, må du ta hensyn til atomets struktur. Hensynet vil selvfølgelig være så forenklet som mulig, til og med primitivt, men lar deg forstå essensen i prosessen, ikke mer enn det som er nødvendig for å beskrive driften av halvledere.

I 1913 foreslo den danske fysikeren Niels Bohr en planetarisk modell av atomet, som er vist i figur 1.

Figur 1. Planetær atommodell

I følge hans teori består et atom av en kjerne, som igjen består av protoner og nøytroner. Protoner er bærere av en positiv elektrisk ladning, og nøytroner er elektrisk nøytrale.

Rundt kjernen roterer elektronene i baner hvis negative elektriske ladning er. Antallet protoner og elektroner i et atom er det samme, og kjernens elektriske ladning blir balansert av den totale ladningen av elektroner. I dette tilfellet sier de at atomet er i en likevektstilstand eller er elektrisk nøytralt, det vil si at det ikke har en positiv eller negativ ladning.

Hvis et atom mister et elektron, blir dets elektriske ladning positivt, og selve atomet blir i dette tilfellet et positivt ion. Hvis et atom knytter seg til et fremmed elektron, kalles det et negativt ion.

Figur 2 viser et fragment av det periodiske systemet. La oss ta hensyn til rektanglet som silisium (Si) ligger i.

Figur 2. Fragment av periodiske tabeller

I nedre høyre hjørne er en kolonne med tall. De viser hvordan elektronene er fordelt over atomene i bane - bunnsifret nærmest kjernen i bane. Hvis du ser nøye på figur 1, kan vi med trygghet si at vi har et silisiumatom med en elektronfordeling på 2, 8, 4. Figur 1 er voluminøs, det viser nesten at banene til elektronene er sfæriske, men for videre begrunnelse kan vi anta at de er i samme plan, og alle elektronene kjører langs samme spor, som vist i figur 3.

Figur 3

Latinske bokstaver i figuren indikerer skallet. Avhengig av antall elektron i et atom, kan antallet være forskjellig, men ikke mer enn syv: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. I hver bane kan den være et visst antall elektroner. På forrige Q er det for eksempel så mange som 98, mindre er mulig, ikke mer. Faktisk, når det gjelder historien vår, kan denne distribusjonen ignoreres: vi er bare interessert i elektroner som ligger i den ytre bane.

Selvfølgelig roterer faktisk ikke alle elektronene i samme plan i det hele tatt: til og med 2 elektroner som er i en bane med navnet K, roterer i sfæriske baner som ligger veldig nært. Og hva kan vi si om baner med høyere nivåer! Der skjer det ... Men for enkelhets skyld, antar vi at alt skjer i ett plan, som vist i figur 3.

I dette tilfellet kan til og med krystallgitteret presenteres i flat form, noe som vil lette forståelsen av materialet, selv om det faktisk er mye mer komplisert. Det flate rutenettet er vist på figur 4.

Figur 4

Elektronene i det ytre laget kalles valens. Det er de som er vist i figuren (de gjenværende elektronene betyr ikke noe for historien vår).Det er de som deltar i foreningen av atomer til molekyler, og når de lager forskjellige stoffer, bestemmer de egenskapene.

Det er de som kan bryte vekk fra atomet og vandre fritt, og hvis det er noen forhold, kan du opprette en elektrisk strøm. I tillegg er det i de ytre skjellene at prosessene oppstår som resulterer i transistorer - halvlederforsterkende enheter.

Fortsettelse av artikkelen: Transistorer. Del 2. Ledere, isolatorer og halvledere.

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Kom ofte over konseptet transistorer, men trodde ikke engang at alt var så komplisert og interessant. Jeg lærte mye for meg selv, men transistorer er til stede i nesten alt utstyr.

[#2]

Har du hørt om eksistensen av pnp- og npn-typer transistorer? De jobber på helt andre måter. Artikkelen omhandler bare en form. Du forhandler ikke, og dette er misvisende.

[#3]

Den samme effekten kan observeres i hydraulikk: veldig lite energi brukes til å åpne en elektromagnetisk ventil, for eksempel i et maskinverktøy.