Tranzistori: svrha, uređaj i načela rada

Pogledajte prvi dio članka ovdje: Povijest tranzistora.

Što znači naziv "tranzistor"

Tranzistor nije odmah dobio tako poznato ime. U početku, po analogiji s tehnikom lampe, nazvana je poluvodička trioda, Moderni naziv sastoji se od dvije riječi. Prva riječ je "prijenos" (ovdje se odmah sjećam "transformatora") znači odašiljač, pretvarač i nosač. A druga polovica riječi nalikuje riječi "otpornik" - detalj električnih krugova, čije je glavno svojstvo električni otpor.

Upravo se taj otpor pojavljuje u Ohmovom zakonu i mnogim drugim formulama elektrotehnike. Stoga se riječ "tranzistor" može tumačiti kao pretvarač otpora. Otprilike isto kao u hidraulici, promjenu protoka tekućine kontrolira ventil. Za tranzistor, takav "ventil" mijenja količinu električnih naboja koji stvaraju električnu struju. Ova promjena nije ništa drugo do promjena unutarnjeg otpora poluvodičkog uređaja.

Pojačanje električnih signala

Najčešća operacija koja se izvodi tranzistorito je pojačavanje električnih signala, Ali to nije sasvim pravi izraz, jer slab signal iz mikrofona ostaje takav.

Pojačanje je također potrebno u radiju i televiziji: slab signal iz milijarde vata antene mora biti pojačan do te mjere da se zvuk ili slika pojavljuju na ekranu. A ovo je snaga od nekoliko desetaka, a u nekim slučajevima i stotine vata. Stoga se postupak pojačanja svodi na to da se osigura da uz pomoć dodatnih izvora energije dobivenih iz napajanja dobije moćnu kopiju slabog ulaznog signala. Drugim riječima, ulaz male snage potiče snažne tokove energije.

Pojačanje u drugim područjima tehnologije i prirode

Takvi se primjeri mogu naći ne samo u električnim krugovima. Na primjer, kada pritisnete papučicu gasa, povećava se brzina automobila. U isto vrijeme, ne morate jako pritiskati papučicu plina - u usporedbi sa snagom motora, pritisak na papučicu je zanemariv. Da biste smanjili brzinu, papučicu ćete morati malo otpustiti kako bi oslabili ulazni učinak. U ovoj situaciji, benzin je snažan izvor energije.

Isti učinak možemo primijetiti i u hidraulici: vrlo malo se troši na otvaranje elektromagnetskog ventila, na primjer u strojnom stroju. A pritisak ulja na klipu mehanizma može stvoriti silu od nekoliko tona. Ova se sila može podesiti ako se u cijevi za ulje nalazi podesivi ventil, kao u uobičajenoj slavini za kuhinju. Malo prekriveno - tlak je pao, tlak je pao. Ako ste otvorili više, tlak se pojačao.

Također nije potrebno ulagati posebne napore kako biste okrenuli ventil. U ovom slučaju crpna stanica stroja je vanjski izvor energije. A u prirodi i tehnologiji ima jako puno sličnih utjecaja. Ali ipak, nas više zanima tranzistor, pa ćemo morati razmotriti dalje ...

Pojačala signala

U većini pojačavajućih krugova, tranzistori ili elektronske cijevi koriste se kao varijabilni otpornici, čiji se otpor mijenja pod utjecajem slabog ulaznog signala. Ovaj "varijabilni otpornik" je sastavni dio istosmjernog kruga, koji, primjerice, prima snagu galvanske stanice ili baterije, tako da u krugu počinje teći konstantna struja. Početna vrijednost ove struje (još nema ulaznog signala) postavlja se prilikom postavljanja kruga.

Pod utjecajem ulaznog signala, unutarnji se otpor aktivnog elementa (tranzistor ili svjetiljka) mijenja s vremenom s ulaznim signalom. Stoga se istosmjerna struja pretvara u izmjeničnu struju, stvarajući snažnu kopiju ulaznog signala pri opterećenju. Koliko će ta kopija biti točna, ovisi o mnogim uvjetima, ali o tome ćemo govoriti kasnije.

Djelovanje ulaznog signala vrlo je slično spomenutoj papučici za plin ili ventilu u hidrauličkom sustavu. Da biste razumjeli što je takav ventil na tranzistoru, morate reći, barem vrlo pojednostavljeno, ali istinito i razumljivo o nekim procesima u poluvodičima.

Vodljivost i struktura atoma

Električna struja nastaje zbog kretanja elektrona u vodiču. Da biste shvatili kako se to događa, morat ćete razmotriti strukturu atoma. Razmatranje će, naravno, biti što pojednostavljeno, čak i primitivno, ali omogućavajući vam da shvatite suštinu postupka, ne više nego što je potrebno za opisivanje rada poluvodiča.

Danski fizičar Niels Bohr predložio je 1913. planetarni model atoma, koji je prikazan na slici 1.

Slika 1. Model planetarnog atoma

Prema njegovoj teoriji, atom se sastoji od jezgre koja se, pak, sastoji od protona i neutrona. Protoni su nositelji pozitivnog električnog naboja, a neutroni su električno neutralni.

Oko jezgre se u orbiti okreću elektroni čiji je negativni električni naboj. Broj protona i elektrona u atomu je isti, a električni naboj jezgre uravnotežen je s ukupnim nabojem elektrona. U ovom slučaju kažu da je atom u ravnotežnom stanju ili je električno neutralan, odnosno da ne nosi pozitivan ili negativan naboj.

Ako atom izgubi elektron, tada njegov električni naboj postaje pozitivan, a sam atom u ovom slučaju postaje pozitivan ion. Ako atom veže za sebe strani elektron, tada se to naziva negativni ion.

Na slici 2 prikazan je ulomak periodne tablice. Obratimo pozornost na pravokutnik u kojem se nalazi silicij (Si).

Slika 2. Ulomak periodne tablice

U donjem desnom kutu je stupac brojeva. Pokazuju kako se elektroni raspoređuju po orbitama atoma - donjoj znamenki najbližoj jezgri orbite. Ako pomno pogledate sliku 1, onda sa pouzdanjem možemo reći da imamo atom silicija s raspodjelom elektrona 2, 8, 4. Slika 1 je voluminozna, gotovo pokazuje da su orbite elektrona sferične, ali za daljnje rezoniranje možemo pretpostaviti da su nalaze se u istoj ravnini, a svi elektroni teku duž iste staze, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3

Latinska slova na slici označavaju ljusku. Ovisno o broju elektrona u nekom atomu, njihov broj može biti različit, ali ne više od sedam: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. U svakoj orbiti može se biti određeni broj elektrona. Na primjer, na zadnjem Q ima čak 98, manje može, ne više. Zapravo, s obzirom na našu priču, ta se distribucija može zanemariti: zanimaju nas samo elektroni koji se nalaze u vanjskoj orbiti.

Naravno, zapravo se svi elektroni uopće ne rotiraju u istoj ravnini: čak se 2 elektrona koji su u orbiti s imenom K okreću u sfernim orbitama smještenim vrlo blizu. A što možemo reći o orbiti s višim razinama! Eto, to se događa ... Ali za jednostavnost zaključivanja pretpostavljamo da se sve događa u jednoj ravnini, kao što je prikazano na slici 3.

U ovom se slučaju čak i kristalna rešetka može predstaviti u ravnom obliku, što će olakšati razumijevanje materijala, iako je zapravo mnogo složenije. Ravna rešetka prikazana je na slici 4.

Slika 4

Elektroni vanjskog sloja nazivaju se valencija. Oni su prikazani na slici (preostali elektroni nisu bitni za našu priču).Oni sudjeluju u sjedinjenju atoma u molekule i pri stvaranju različitih tvari određuju njihova svojstva.

Oni se mogu odvojiti od atoma i slobodno lutati, i ako postoje neki uvjeti, stvoriti električnu struju. Pored toga, upravo se u vanjskim školjkama događaju procesi koji rezultiraju pojačavanjem tranzistora - poluvodičkih uređaja.

Nastavak članka: Tranzistori. Dio 2. Provodnici, izolatori i poluvodiči.

Boris Aladyskin