Τρανζίστορ: σκοπός, συσκευή και αρχές λειτουργίας

Δείτε το πρώτο μέρος του άρθρου εδώ: Ιστορικό τρανζίστορ.

Τι σημαίνει το όνομα "τρανζίστορ"

Το τρανζίστορ δεν έλαβε αμέσως ένα τέτοιο γνωστό όνομα. Αρχικά, κατ 'αναλογία με την τεχνική της λάμπας, κλήθηκε τριόδου ημιαγωγών. Το σύγχρονο όνομα αποτελείται από δύο λέξεις. Η πρώτη λέξη είναι "μεταφορά" (εδώ, θυμάμαι αμέσως "μετασχηματιστής") σημαίνει έναν πομπό, μετατροπέα και φορέα. Και το δεύτερο μισό της λέξης μοιάζει με τη λέξη "αντίσταση" - μια λεπτομέρεια των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η κύρια ιδιότητα της οποίας είναι η ηλεκτρική αντίσταση.

Είναι αυτή η αντίσταση που συμβαίνει στον νόμο του Ohm και σε πολλούς άλλους τύπους ηλεκτρολόγων μηχανικών. Επομένως, η λέξη "τρανζίστορ" μπορεί να ερμηνευτεί ως μετατροπέας αντίστασης. Σχετικά με το υδραυλικό σύστημα, η αλλαγή της ροής του ρευστού ελέγχεται από μια βαλβίδα. Για ένα τρανζίστορ, μια τέτοια "βαλβίδα" αλλάζει την ποσότητα των ηλεκτρικών φορτίων που δημιουργούν ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η αλλαγή δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια αλλαγή στην εσωτερική αντίσταση μιας συσκευής ημιαγωγών.

Ενίσχυση των ηλεκτρικών σημάτων

Η πιο κοινή λειτουργία που εκτελείται τρανζίστορείναι ενίσχυση των ηλεκτρικών σημάτων. Αλλά αυτό δεν είναι ακριβώς η σωστή έκφραση, επειδή το αδύναμο σήμα από το μικρόφωνο παραμένει έτσι.

Απαιτείται επίσης ενίσχυση στο ραδιόφωνο και στην τηλεόραση: ένα ασθενές σήμα από μια κεραία διάρκειας δύο δισεκατομμυρίων θα πρέπει να ενισχυθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να εμφανίζεται στην οθόνη ένας ήχος ή εικόνα. Και αυτή είναι μια δύναμη πολλών δεκάδων, και σε ορισμένες περιπτώσεις εκατοντάδες βατ. Συνεπώς, η διαδικασία ενίσχυσης μειώνεται για να εξασφαλιστεί ότι με τη βοήθεια πρόσθετων πηγών ενέργειας που λαμβάνονται από την τροφοδοσία ρεύματος, να αποκτηθεί ένα ισχυρό αντίγραφο ενός αδύναμου σήματος εισόδου. Με άλλα λόγια, μια είσοδος χαμηλής ισχύος διεγείρει τις ισχυρές ροές ενέργειας.

Ενίσχυση σε άλλους τομείς της τεχνολογίας και της φύσης

Τέτοια παραδείγματα μπορούν να βρεθούν όχι μόνο σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Για παράδειγμα, όταν πιέζετε το πεντάλ αερίου, η ταχύτητα του οχήματος αυξάνεται. Ταυτόχρονα, δεν χρειάζεται να πιέζετε το πεντάλ γκαζιού πολύ σκληρά - σε σύγκριση με την ισχύ του κινητήρα, η πίεση στο πεντάλ είναι αμελητέα. Για να μειώσετε την ταχύτητα, το πεντάλ θα πρέπει να απελευθερωθεί κάπως, για να αποδυναμώσει το αποτέλεσμα εισόδου. Σε αυτή την περίπτωση, η βενζίνη είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας.

Το ίδιο φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί και στο υδραυλικό σύστημα: ελάχιστα δαπανώνται για το άνοιγμα μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, για παράδειγμα σε ένα μηχάνημα. Και η πίεση λαδιού στο έμβολο του μηχανισμού μπορεί να δημιουργήσει μια δύναμη αρκετών τόνων. Αυτή η δύναμη μπορεί να ρυθμιστεί αν υπάρχει μια ρυθμιζόμενη βαλβίδα στο σωλήνα λαδιού, όπως σε μια συμβατική βρύση κουζίνας. Ελαφρώς καλύφθηκε - η πίεση έπεσε, η πίεση έπεσε. Εάν ανοίξατε περισσότερο, τότε η πίεση εντάθηκε.

Επίσης, δεν είναι απαραίτητο να καταβληθούν ιδιαίτερες προσπάθειες για την περιστροφή της βαλβίδας. Σε αυτή την περίπτωση, ο σταθμός άντλησης της μηχανής είναι μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Και υπάρχουν πάρα πολλές παρόμοιες επιρροές στη φύση και την τεχνολογία. Αλλά ακόμα, είμαστε περισσότερο ενδιαφέρονται για το τρανζίστορ, έτσι θα πρέπει να εξετάσουμε περαιτέρω ...

Ενισχυτές σήματος

Στα περισσότερα κυκλώματα ενίσχυσης χρησιμοποιούνται τρανζίστορ ή ηλεκτρονικοί σωλήνες ως μεταβλητή αντίσταση, η αντίσταση των οποίων αλλάζει υπό την επίδραση ενός αδύναμου σήματος εισόδου. Αυτή η "μεταβλητή αντίσταση" είναι ένα αναπόσπαστο μέρος του κυκλώματος συνεχούς ρεύματος, το οποίο λαμβάνει ενέργεια π.χ. γαλβανικά κύτταρα ή μπαταρίες, έτσι ένα σταθερό ρεύμα αρχίζει να ρέει στο κύκλωμα. Η αρχική τιμή αυτού του ρεύματος (δεν υπάρχει ακόμη σήμα εισόδου) ρυθμίζεται κατά τη ρύθμιση του κυκλώματος.

Κάτω από τη δράση του σήματος εισόδου, η εσωτερική αντίσταση του ενεργού στοιχείου (τρανζίστορ ή λυχνία) αλλάζει χρονικά με το σήμα εισόδου. Επομένως, το συνεχές ρεύμα μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα, δημιουργώντας ένα ισχυρό αντίγραφο του σήματος εισόδου στο φορτίο. Πόσο ακριβές θα είναι αυτό το αντίγραφο εξαρτάται από πολλές συνθήκες, αλλά θα το συζητήσουμε αργότερα.

Η ενέργεια του σήματος εισόδου είναι πολύ παρόμοια με το πεντάλ γκαζιού που αναφέρθηκε παραπάνω ή τη βαλβίδα στο υδραυλικό σύστημα. Για να καταλάβετε τι είναι μια τέτοια βαλβίδα πύλης σε ένα τρανζίστορ, πρέπει να πείτε, τουλάχιστον πολύ απλοποιημένη, αλλά αληθινή και κατανοητή για κάποιες διαδικασίες σε ημιαγωγούς.

Αγωγιμότητα και ατομική δομή

Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων στον αγωγό. Για να κατανοήσετε πώς συμβαίνει αυτό, θα πρέπει να εξετάσετε τη δομή του ατόμου. Η εξέταση, φυσικά, θα είναι όσο το δυνατόν απλούστερη, ακόμη και πρωτόγονη, αλλά θα σας επιτρέψει να κατανοήσετε την ουσία της διαδικασίας, απλώς και μόνο για να περιγράψετε τη λειτουργία των ημιαγωγών.

Το 1913, ο Δανός φυσικός Niels Bohr πρότεινε ένα πλανητικό μοντέλο του ατόμου, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1. Πλανητικό μοντέλο ατόμων

Σύμφωνα με τη θεωρία του, ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος με τη σειρά του αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια είναι φορείς ενός θετικού ηλεκτρικού φορτίου και τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα.

Γύρω από τον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε τροχιές των οποίων το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο είναι. Ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ο ίδιος και το ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα ισορροπείται από το συνολικό φορτίο των ηλεκτρονίων. Στην περίπτωση αυτή, λένε ότι το άτομο είναι σε κατάσταση ισορροπίας ή είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή δεν φέρει θετικό ή αρνητικό φορτίο.

Εάν ένα άτομο χάνει ένα ηλεκτρόνιο, τότε το ηλεκτρικό του φορτίο γίνεται θετικό και το ίδιο το άτομο στην περίπτωση αυτή γίνεται θετικό ιόν. Αν ένα άτομο συνδέεται με ένα ξένο ηλεκτρόνιο, τότε ονομάζεται αρνητικό ιόν.

Το σχήμα 2 δείχνει ένα κομμάτι του περιοδικού πίνακα. Ας δώσουμε προσοχή στο ορθογώνιο στο οποίο βρίσκεται το πυρίτιο (Si).

Εικόνα 2. Θραύσμα του περιοδικού πίνακα

Στην κάτω δεξιά γωνία υπάρχει μια στήλη αριθμών. Δείχνουν πώς κατανέμονται τα ηλεκτρόνια στις τροχιές του ατόμου - το κάτω ψηφίο που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα της τροχιάς. Αν κοιτάξετε προσεκτικά το Σχήμα 1, μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι έχουμε ένα άτομο πυριτίου με μια κατανομή ηλεκτρονίων 2, 8, 4. Το Σχήμα 1 είναι ογκώδες, σχεδόν δείχνει ότι οι τροχιές των ηλεκτρονίων είναι σφαιρικές, αλλά για περαιτέρω συλλογιστική μπορούμε να υποθέσουμε ότι βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και όλα τα ηλεκτρόνια τρέχουν κατά μήκος της ίδιας διαδρομής, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Σχήμα 3

Τα λατινικά γράμματα στο σχήμα δείχνουν το κέλυφος. Ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων ενός ατόμου, ο αριθμός τους μπορεί να είναι διαφορετικός, αλλά όχι μεγαλύτερος από επτά: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. να είναι ένας ορισμένος αριθμός ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, στο τελευταίο Q υπάρχουν 98, λιγότερα είναι δυνατόν, όχι περισσότερα. Στην πραγματικότητα, όσον αφορά την ιστορία μας, αυτή η κατανομή μπορεί να αγνοηθεί: ενδιαφέρουμε μόνο για τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην εξωτερική τροχιά.

Φυσικά, στην πραγματικότητα, όλα τα ηλεκτρόνια δεν περιστρέφονται σε ένα μόνο επίπεδο: ακόμα και 2 ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιά με το όνομα Κ περιστρέφονται σε σφαιρικές τροχιές που βρίσκονται πολύ κοντά. Και τι μπορούμε να πούμε για τροχιές με υψηλότερα επίπεδα! Εκεί συμβαίνει ... Αλλά για την απλότητα της συλλογιστικής, υποθέτουμε ότι όλα συμβαίνουν σε ένα επίπεδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σε αυτή την περίπτωση, ακόμη και το κρυσταλλικό πλέγμα μπορεί να παρουσιαστεί σε επίπεδη μορφή, που θα διευκολύνει την κατανόηση του υλικού, αν και στην πραγματικότητα είναι πολύ πιο περίπλοκο. Το επίπεδο πλέγμα φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4

Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στρώσης ονομάζονται σθένος. Είναι αυτά που φαίνονται στο σχήμα (τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια δεν έχουν σημασία για την ιστορία μας).Είναι αυτοί που συμμετέχουν στην ένωση των ατόμων σε μόρια, και όταν δημιουργούν διαφορετικές ουσίες, καθορίζουν τις ιδιότητές τους.

Είναι αυτοί που μπορούν να ξεφύγουν από το άτομο και να περιπλανηθούν ελεύθερα, και αν υπάρχουν κάποιες συνθήκες, δημιουργήστε ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Επιπλέον, στις εξωτερικές κηλίδες εμφανίζονται οι διαδικασίες που οδηγούν σε τρανζίστορ - συσκευές ενίσχυσης ημιαγωγών.

Συνέχεια του άρθρου: Τρανζίστορ Μέρος 2. Αγωγοί, μονωτήρες και ημιαγωγοί.

Μπόρις Αλαντίσκιν