Tranzisztorok: rendeltetés, eszköz és működési elvek

Lásd a cikk első részét itt: Tranzisztor története.

Mit jelent a "tranzisztor" név?

A tranzisztor nem kapott azonnal ilyen ismerős nevet. Kezdetben a lámpatechnikával analóg módon hívták félvezető trióda. A modern név két szóból áll. Az első szó a „transzfer” (itt azonnal emlékszem a „transzformátorra”) egy adó, átalakító és hordozó kifejezést jelent. A szó második fele a "ellenállás" szóhoz hasonlít - az elektromos áramkörök egy részlete, amelynek fő tulajdonsága az elektromos ellenállás.

Ez az ellenállás fordul elő Ohm törvényében és sok más villamosmérnöki képletben. Ezért a "tranzisztor" szó értelmezhető ellenállás-átalakítóként. Nagyjából ugyanúgy, mint a hidraulikában, a folyadékáram változását egy szelep vezérli. Tranzisztorok esetén egy ilyen „szelep” megváltoztatja az elektromos áramot létrehozó elektromos töltések mennyiségét. Ez a változás nem más, mint egy félvezető eszköz belső ellenállásának megváltozása.

Elektromos jelek erősítése

A leggyakoribb művelet, amelyet végrehajtanak tranzisztorokvan elektromos jelek erősítése. De ez nem egészen a megfelelő kifejezés, mivel a mikrofon gyenge jele így marad.

Erősítésre van szükség a rádióban és a televízióban is: a milliárd wattos antenna gyenge jelét olyan mértékben kell erősíteni, hogy hang vagy kép jelenjen meg a képernyőn. És ez több tíz, és egyes esetekben több száz watt teljesítményű. Ezért az erősítési folyamat lecsökkent annak biztosítása érdekében, hogy a tápegységtől kapott kiegészítő energiaforrások segítségével a gyenge bemeneti jel nagyszerű példányát kapjuk. Más szavakkal: az alacsony fogyasztású bemenet stimulálja az erős energiaáramlásokat.

Fejlesztés a technológia és a természet más területein

Ilyen példák nemcsak az elektromos áramkörökben találhatók meg. Például, amikor megnyomja a gázpedált, az autó sebessége növekszik. Ugyanakkor nem kell nagyon erősen megnyomnia a gázpedált - a motor teljesítményéhez képest elhanyagolható a pedál nyomása. A sebesség csökkentése érdekében a pedált kissé engedni kell, hogy gyengítse a bemeneti hatást. Ebben a helyzetben a benzin hatalmas energiaforrás.

Ugyanez a hatás figyelhető meg a hidraulikában is: nagyon kevés költenek egy elektromágneses szelep nyitására, például egy szerszámgépben. És az olajnyomás a mechanizmus dugattyúján több tonna erőt hozhat létre. Ez az erő beállítható, ha állítható szelepet helyeznek el az olajcsőben, mint egy hagyományos konyhai csaptelepnél. Enyhén takarva - a nyomás esett, a nyomás esett. Ha többet nyitott, akkor a nyomás fokozódott.

A szelep elfordításához szintén nem szükséges külön erőfeszítéseket tenni. Ebben az esetben a gép szivattyúállomása külső energiaforrás. És nagyon sok hasonló befolyás van a természetben és a technológiában. De továbbra is jobban érdekli a tranzisztor, ezért tovább kell gondolkoznunk ...

Jel erősítők

A legtöbb erősítő áramkörben tranzisztorokat vagy elektronikus csöveket használnak változó ellenállásként, amelyek ellenállása gyenge bemeneti jel hatására változik. Ez a "változó ellenállás" az egyenáramú áramkör szerves része, amely például áramot kap galván cellák vagy akkumulátorok, tehát állandó áram folyik az áramkörben. Az áram kezdeti értékét (még nincs bemeneti jel) beállítják az áramkör beállításakor.

A bemeneti jel hatására az aktív elem (tranzisztor vagy lámpa) belső ellenállása időben megváltozik a bemeneti jelnek megfelelően. Ezért az egyenáram váltakozó áramúvá válik, és a bemeneti jel erőteljes másolatát hozza létre a terhelésnél. Ez a példány pontossága sok körülménytől függ, de erről később beszélünk.

A bemeneti jel működése nagyon hasonló a fent említett gázpedálhoz vagy a hidraulikus rendszer szelepéhez. Ahhoz, hogy megértsük, mi az ilyen kapuszelep egy tranzisztorban, el kell mondania, legalábbis nagyon egyszerűsítve, de igaz és érthető a félvezetők egyes folyamatairól.

Vezetőképesség és atomszerkezet

Elektromos áram alakul ki az elektronoknak a vezetőben történő mozgása miatt. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan történik ez, figyelembe kell venni az atom szerkezetét. A megfontolás természetesen a lehető legegyszerűbb, sőt primitív is, de lehetővé téve a folyamat lényegének megértését, nem több, mint a félvezetők működésének leírásához szükséges.

1913-ban Niels Bohr dán fizikus az atom bolygómodelljét javasolta, amelyet az 1. ábra mutat.

1. ábra. Bolygó atommodell

Elmélete szerint egy atom magból áll, amely viszont protonokból és neutronokból áll. A protonok pozitív elektromos töltés hordozói, és a neutronok elektromos semlegesek.

A mag körül az elektronok olyan pályákon forognak, amelyek negatív elektromos töltése van. Az atomban a protonok és az elektronok száma azonos, és a mag elektromos töltését az elektronok teljes töltése kiegyensúlyozza. Ebben az esetben azt mondják, hogy az atom egyensúlyi állapotban vagy elektromosan semleges, vagyis nem hordoz pozitív vagy negatív töltést.

Ha egy atom elveszít egy elektronot, akkor elektromos töltése pozitívvá válik, és maga az atom ebben az esetben pozitív ionvá válik. Ha egy atom idegen elektronhoz kapcsolódik, akkor negatív ionnak nevezzük.

A 2. ábra a periódusos rendszer egy részletét mutatja. Vigyázzunk arra a téglalapra, amelyben a szilícium (Si) található.

2. ábra: A periódusos rendszer töredéke

A jobb alsó sarokban egy szám oszlop található. Megmutatják, hogyan oszlanak el az elektronok az atom keringési pályáin - az alsó számjegy a legközelebb van a pálya magjához. Ha közelebbről megvizsgáljuk az 1. ábrát, akkor magabiztosan mondhatjuk, hogy szilíciumatomunk 2, 8, 4 elektron eloszlással rendelkezik. Az 1. ábra terjedelmes, majdnem azt mutatja, hogy az elektronok keringése gömb alakú, de további indokoláshoz feltételezhetjük, hogy ezek ugyanabban a síkban vannak, és az összes elektron ugyanazon a pályán halad, ahogy az a 3. ábrán látható.

3. ábra

Az ábrán szereplő latin betűk a héjat jelölik. Az atomok elektronszámától függően ezek száma eltérő lehet, de legfeljebb hét: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Minden pályán képes legyen egy bizonyos számú elektron. Például az utolsó Q-n csak 98 van, kevesebb lehetséges, nem több. Valójában a történetünk szempontjából ezt az eloszlást figyelmen kívül hagyhatjuk: csak a külső pályán elhelyezkedő elektronok érdekelnek.

Természetesen valójában az összes elektron egyáltalán nem forog ugyanabban a síkban: még a K névvel keringő pályán lévő két elektron egy nagyon közel lévő gömbös pályán forog. És mit mondhatunk a magasabb szintű pályákról! Ott történik ... De az érvelés egyszerűsítése érdekében feltételezzük, hogy minden egy síkban zajlik, ahogy a 3. ábra mutatja.

Ebben az esetben akár a kristályrács is sík formában jeleníthető meg, ami megkönnyíti az anyag megértését, bár valójában sokkal bonyolultabb. A lapos rácsot a 4. ábra mutatja.

4. ábra

A külső réteg elektronjait valenciának nevezzük. Azokat mutatják az ábrán (a fennmaradó elektronok nem számítanak a történetünknek).Ők vesznek részt az atomok molekulákká történő egyesítésében, és amikor különféle anyagokat készítenek, meghatározzák tulajdonságaikat.

Ők azok, akik el tudnak szakadni az atomtól és szabadon kóborolhatnak, és ha vannak bizonyos körülmények, akkor áramot hoznak létre. Ezen túlmenően a külső héjakban fordulnak elő azok a folyamatok, amelyek tranzisztorokat - félvezető erősítő eszközöket eredményeznek.

A cikk folytatása: Tranzisztorok. 2. rész Vezetők, szigetelők és félvezetők.

Boris Aladyshkin