Transistorit: tarkoitus, laite ja toimintaperiaatteet

Katso artikkelin ensimmäinen osa täältä: Transistorin historia.

Mitä nimi "transistori" tarkoittaa?

Transistori ei saanut heti niin tuttua nimeä. Aluksi sitä kutsuttiin analogisesti lampputekniikan kanssa puolijohdetriodi. Moderni nimi koostuu kahdesta sanasta. Ensimmäinen sana on ”siirto” (tässä muistan heti ”muuntajan”) tarkoittaa lähetin-, muunnin- ja kantoaaltoa. Ja sanan toinen puoli muistuttaa sanaa "vastus" - yksityiskohta sähköpiireistä, joiden pääominaisuus on sähkövastus.

Juuri tämä vastus esiintyy Ohmin laissa ja monissa muissa sähkötekniikan kaavoissa. Siksi sana "transistori" voidaan tulkita vastusmuuntimeksi. Noin sama kuin hydrauliikassa, nestevirtauksen muutosta säädetään venttiilillä. Transistorin tapauksessa tällainen “venttiili” muuttaa sähkövirtaa tuottavien sähkövarausten määrää. Tämä muutos ei ole muuta kuin muutos puolijohdelaitteen sisäisessä vastuksessa.

Sähköisten signaalien vahvistus

Yleisin suoritettu toimenpide transistoritse on sähköisten signaalien vahvistus. Mutta tämä ei ole aivan oikea lauseke, koska mikrofonin heikko signaali pysyy niin.

Vahvistusta vaaditaan myös radiossa ja televisiossa: miljardin watin antennin heikko signaali on vahvistettava niin paljon, että ääni tai kuva näkyy näytöllä. Ja tämä on useiden kymmenien ja joissain tapauksissa satojen wattien teho. Siksi vahvistusprosessia pienennetään sen varmistamiseksi, että virtalähteeltä vastaanotettujen ylimääräisten energialähteiden avulla saadaan tehokas kopio heikosta tulosignaalista. Toisin sanoen pienitehoinen tulo stimuloi voimakkaita energiavirtoja.

Vahvistus muilla tekniikan ja luonnon aloilla

Tällaisia ​​esimerkkejä löytyy paitsi sähköpiireistä. Esimerkiksi, kun painat kaasupoljinta, auton nopeus kasvaa. Samaan aikaan sinun ei tarvitse painaa kaasupoljinta kovasti - verrattuna moottorin tehoon poljinpaine on vähäinen. Nopeuden vähentämiseksi poljin on vapautettava jonkin verran syöttövaikutuksen heikentämiseksi. Tässä tilanteessa bensiini on voimakas energialähde.

Sama vaikutus voidaan havaita hydrauliikassa: erittäin vähän käytetään sähkömagneettisen venttiilin avaamiseen, esimerkiksi työstökoneessa. Ja öljynpaine mekanismin mäntään voi luoda usean tonnin voiman. Tätä voimaa voidaan säätää, jos öljyputkeen on asennettu säädettävä venttiili, kuten tavanomaiseen keittiöhanaan. Peitetty hieman - paine laski, paine laski. Jos avasit enemmän, paine kiristyi.

Venttiilin kääntämiseksi ei myöskään tarvitse tehdä erityisiä ponnisteluja. Tässä tapauksessa koneen pumppausasema on ulkoinen energialähde. Ja luonnossa ja tekniikassa on paljon samanlaisia ​​vaikutteita. Mutta silti olemme enemmän kiinnostuneita transistorista, joten meidän on harkittava edelleen ...

Signaalivahvistimet

Useimmissa vahvistuspiireissä transistoria tai elektronisia putkia käytetään muuttuvana vastuksena, jonka vastus muuttuu heikon tulosignaalin vaikutuksesta. Tämä "muuttuva vastus" on kiinteä osa tasavirtapiiriä, joka vastaanottaa tehoa esimerkiksi galvaaniset solut tai paristoja, joten vakiovirta alkaa virtata piirissä. Tämän virran alkuarvo (sisäänmenosignaalia ei vielä ole) asetetaan, kun piiri asetetaan.

Tulosignaalin vaikutuksesta aktiivisen elementin (transistori tai lamppu) sisäinen vastus muuttuu ajan myötä tulosignaalin kanssa. Siksi tasavirta muuttuu vaihtovirraksi, jolloin tulosignaalista saadaan tehokas kopio kuormalla. Tämän kopion tarkka määrä riippuu monista ehdoista, mutta puhumme tästä myöhemmin.

Tulosignaalin toiminta on hyvin samanlainen kuin edellä mainittu kaasupoljin tai hydraulijärjestelmän venttiili. Ymmärtääksesi mitä tällainen transistorin hilaventtiili on, sinun on kerrottava, ainakin erittäin yksinkertaistettuna, mutta totta ja ymmärrettävänä joistakin puolijohteiden prosesseista.

Johtokyky ja atomirakenne

Sähkövirta syntyy, koska elektronit liikkuvat johtimessa. Ymmärtääksesi miten tämä tapahtuu, sinun on pohdittava atomin rakennetta. Harkinta on tietysti mahdollisimman yksinkertaista, jopa alkeellista, mutta antaa sinulle mahdollisuuden ymmärtää prosessin ydin, enempää kuin tarvitaan puolijohteiden toiminnan kuvaamiseksi.

Tanskalainen fyysikko Niels Bohr ehdotti vuonna 1913 atomin planeettamallia, joka on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Planeettaatomiatomimalli

Hänen teoriansa mukaan atomi koostuu ytimestä, joka puolestaan ​​koostuu protoneista ja neutroneista. Protonit ovat positiivisen sähkövarauksen kantajia ja neutronit ovat sähköisesti neutraaleja.

Ytimen ympärillä elektronit pyörivät kiertoradalla, joiden negatiivinen sähkövaraus on. Protonien ja elektronien lukumäärä atomissa on sama, ja ytimen sähkövaraus tasapainotetaan elektronien kokonaisvarauksella. He sanovat tässä tapauksessa, että atomi on tasapainotilassa tai että se on sähköisesti neutraali, ts. Siinä ei ole positiivista tai negatiivista varausta.

Jos atomi menettää elektronin, niin sen sähkövarauksesta tulee positiivinen, ja itse atomista tulee tässä tapauksessa positiivinen ioni. Jos atomi kiinnittää itsensä vieraaselektronille, niin sitä kutsutaan negatiiviseksi ioniksi.

Kuvio 2 esittää jaksoa jaksollisesta taulukosta. Kiinnitetään huomiota suorakulmioon, jossa pii (Si) sijaitsee.

Kuva 2. Jakso taulukkoa

Oikeassa alakulmassa on numeroa vastaava sarake. Ne osoittavat, kuinka elektronit jakautuvat atomin kiertoradalle - alin numero, joka on lähinnä kiertoradan ydintä. Jos tarkastellaan tarkkaan kuvaa 1, voimme sanoa varmuudella, että meillä on piiatomi, jonka elektronijakauma on 2, 8, 4. Kuva 1 on tilava, se melkein osoittaa, että elektronien kiertoradat ovat palloisia, mutta lisäselvityksen vuoksi voidaan olettaa, että ne ovat samassa tasossa ja kaikki elektronit kulkevat samaa rataa pitkin, kuten kuvassa 3 esitetään.

Kuvio 3

Kuvion latinalaiset kirjaimet osoittavat kuoren. Atomien elektronien lukumäärästä riippuen, niiden lukumäärä voi olla erilainen, mutta enintään seitsemän: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Jokaisella kiertoradalla se voi olla tietty määrä elektronia. Esimerkiksi viimeisellä Q: lla on jopa 98, vähemmän on mahdollista, ei enempää. Itse asiassa tarinan suhteen tämä jakauma voidaan jättää huomioimatta: meitä kiinnostavat vain elektronit, jotka sijaitsevat ulkoradalla.

Tietenkin, tosiasiassa, kaikki elektronit eivät pyöri lainkaan samassa tasossa: jopa 2 elektronia, jotka ovat kiertoradalla nimellä K, pyörivät pallomaisilla kiertoradalla, jotka sijaitsevat hyvin lähellä. Ja mitä voimme sanoa korkeamman tason kiertoradasta! Siellä se tapahtuu ... Mutta perustelujen yksinkertaisuuden vuoksi oletamme, että kaikki tapahtuu yhdellä tasolla, kuten kuvassa 3 esitetään.

Tässäkin tapauksessa kidehila voidaan esittää tasaisessa muodossa, mikä helpottaa materiaalin ymmärtämistä, vaikka se on itse asiassa paljon monimutkaisempi. Litteä ristikko on esitetty kuvassa 4.

Kuvio 4

Ulomman kerroksen elektroneja kutsutaan valenssiksi. Juuri ne on esitetty kuvassa (jäljellä olevilla elektronilla ei ole merkitystä tarinastamme).Juuri ne osallistuvat atomien yhdistymiseen molekyyleiksi ja eri aineita luotaessa määrittelevät niiden ominaisuudet.

Juuri he voivat irtautua atomista ja vaeltaa vapaasti ja luoda olosuhteissa sähkövirran. Lisäksi ulkokuorissa tapahtuu prosesseja, jotka johtavat transistoreihin - puolijohdevahvistuslaitteisiin.

Artikkelin jatko: Transistoria. Osa 2. Johtimet, eristeet ja puolijohteet.

Boris Aladyshkin