Transistores: finalidad, dispositivo y principios de funcionamiento.

Vea la primera parte del artículo aquí: Historia del transistor.

¿Qué significa el nombre "transistor"

El transistor no recibió de inmediato un nombre tan familiar. Inicialmente, por analogía con la técnica de la lámpara, se llamó triodo de semiconductores. El nombre moderno consta de dos palabras. La primera palabra es "transferencia" (aquí recuerdo inmediatamente "transformador") significa un transmisor, convertidor y portador. Y la segunda mitad de la palabra se asemeja a la palabra "resistencia", un detalle de los circuitos eléctricos, cuya propiedad principal es la resistencia eléctrica.

Es esta resistencia la que ocurre en la ley de Ohm y en muchas otras fórmulas de ingeniería eléctrica. Por lo tanto, la palabra "transistor" puede interpretarse como un convertidor de resistencia. Casi igual que en la hidráulica, el cambio en el flujo de fluido es controlado por una válvula. Para un transistor, dicha "válvula" cambia la cantidad de cargas eléctricas que crean una corriente eléctrica. Este cambio no es más que un cambio en la resistencia interna de un dispositivo semiconductor.

Amplificacion de señales electricas

La operación más común que se realiza. transistoreses amplificación de señales eléctricas. Pero esta no es la expresión correcta, porque la señal débil del micrófono sigue siéndolo.

La amplificación también se requiere en radio y televisión: una señal débil de una antena milmillonésima de vatios debe amplificarse de tal manera que se obtenga un sonido o una imagen de pantalla. Y esta es una potencia de varias decenas, y en algunos casos cientos de vatios. Por lo tanto, el proceso de amplificación se reduce para garantizar que, con la ayuda de fuentes adicionales de energía recibidas de la fuente de alimentación, se obtenga una copia potente de una señal de entrada débil. En otras palabras, una entrada de baja potencia estimula poderosos flujos de energía.

Amplificación en otras áreas de la tecnología y la naturaleza.

Tales ejemplos se pueden encontrar no solo en circuitos eléctricos. Por ejemplo, cuando presiona el pedal del acelerador, la velocidad del automóvil aumenta. Al mismo tiempo, no tiene que presionar el pedal del acelerador con demasiada fuerza; en comparación con la potencia del motor, la presión sobre el pedal es insignificante. Para reducir la velocidad, el pedal tendrá que soltarse un poco, para debilitar el efecto de entrada. En esta situación, la gasolina es una poderosa fuente de energía.

El mismo efecto se puede observar en la hidráulica: se gasta muy poco en abrir una válvula electromagnética, por ejemplo, en una máquina herramienta. Y la presión de aceite en el pistón del mecanismo puede crear una fuerza de varias toneladas. Esta fuerza se puede ajustar si se proporciona una válvula ajustable en la tubería de aceite, como en un grifo de cocina convencional. Ligeramente cubierto: la presión cayó, la presión cayó. Si abriste más, entonces la presión se intensificó.

Tampoco es necesario hacer esfuerzos especiales para girar la válvula. En este caso, la estación de bombeo de la máquina es una fuente externa de energía. Y hay muchas influencias similares en la naturaleza y la tecnología. Pero aún así, estamos más interesados ​​en el transistor, por lo que tendremos que considerar más ...

Amplificadores de señal

En la mayoría de los circuitos amplificadores, los transistores o tubos electrónicos se usan como una resistencia variable, cuya resistencia cambia bajo la influencia de una señal de entrada débil. Esta "resistencia variable" es una parte integral del circuito de CC, que recibe energía, por ejemplo, de celdas galvánicas o baterías, por lo que una corriente constante comienza a fluir en el circuito. El valor inicial de esta corriente (todavía no hay señal de entrada) se establece al configurar el circuito.

Bajo la influencia de la señal de entrada, la resistencia interna del elemento activo (transistor o lámpara) cambia en el tiempo con la señal de entrada. Por lo tanto, la corriente continua se convierte en corriente alterna, creando una poderosa copia de la señal de entrada en la carga. La precisión de esta copia dependerá de muchas condiciones, pero hablaremos de esto más adelante.

La acción de la señal de entrada es muy similar al acelerador mencionado anteriormente o la válvula en el sistema hidráulico. Para entender qué es una válvula de compuerta en un transistor, debe decir, al menos muy simplificado, pero cierto y comprensible sobre algunos procesos en semiconductores.

Conductividad y estructura atómica.

Se crea una corriente eléctrica debido al movimiento de electrones en el conductor. Para entender cómo sucede esto, tendrá que considerar la estructura del átomo. La consideración, por supuesto, será lo más simplificada posible, incluso primitiva, pero le permitirá comprender la esencia del proceso, no más de lo necesario para describir el funcionamiento de los semiconductores.

En 1913, el físico danés Niels Bohr propuso un modelo planetario del átomo, que se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Modelo de átomo planetario

Según su teoría, un átomo consiste en un núcleo que, a su vez, consiste en protones y neutrones. Los protones son portadores de una carga eléctrica positiva, y los neutrones son eléctricamente neutros.

Alrededor del núcleo, los electrones giran en órbitas cuya carga eléctrica negativa es. El número de protones y electrones en un átomo es el mismo, y la carga eléctrica del núcleo está equilibrada por la carga total de electrones. En este caso, dicen que el átomo está en un estado de equilibrio o es eléctricamente neutro, es decir, no lleva una carga positiva o negativa.

Si un átomo pierde un electrón, entonces su carga eléctrica se vuelve positiva, y el átomo en este caso se convierte en un ion positivo. Si un átomo se une a sí mismo un electrón extraño, entonces se llama ion negativo.

La figura 2 muestra un fragmento de la tabla periódica. Prestemos atención al rectángulo en el que se encuentra el silicio (Si).

Figura 2. Fragmento de la tabla periódica.

En la esquina inferior derecha hay una columna de números. Muestran cómo se distribuyen los electrones sobre las órbitas del átomo, el dígito inferior más cercano al núcleo de la órbita. Si observa de cerca la Figura 1, podemos decir con confianza que tenemos un átomo de silicio con una distribución de electrones de 2, 8, 4. La Figura 1 es voluminosa, casi muestra que las órbitas de los electrones son esféricas, pero por razones adicionales, podemos suponer que están en el mismo plano y todos los electrones corren a lo largo de la misma pista, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3

Las letras latinas en la figura indican la concha. Dependiendo del número de electrones en un átomo, su número puede ser diferente, pero no más de siete: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. En cada órbita, puede ser una cierta cantidad de electrones. Por ejemplo, en la última Q hay 98, menos es posible, no más. En realidad, en términos de nuestra historia, esta distribución puede ignorarse: solo nos interesan los electrones ubicados en la órbita exterior.

Por supuesto, de hecho, todos los electrones no giran en el mismo plano: incluso 2 electrones que están en una órbita con el nombre K giran en órbitas esféricas ubicadas muy cerca. ¡Y qué podemos decir sobre las órbitas con niveles más altos! Ahí sucede ... Pero por simplicidad de razonamiento, suponemos que todo sucede en un plano, como se muestra en la Figura 3.

En este caso, incluso la red cristalina se puede presentar en forma plana, lo que facilitará la comprensión del material, aunque en realidad es mucho más complicado. La cuadrícula plana se muestra en la Figura 4.

Figura 4

Los electrones de la capa externa se llaman valencia. Son ellos los que se muestran en la figura (los electrones restantes no importan para nuestra historia).Son ellos quienes participan en la unión de los átomos en las moléculas, y al crear diferentes sustancias, determinan sus propiedades.

Son ellos los que pueden separarse del átomo y deambular libremente, y si hay algunas condiciones, crear una corriente eléctrica. Además, es en las capas externas donde se producen los procesos que resultan en transistores, dispositivos amplificadores de semiconductores.

Continuación del artículo: Transistores Parte 2. Conductores, aisladores y semiconductores..

Boris Aladyshkin