Tranzistoriai: paskirtis, įtaisas ir veikimo principai

Pirmą straipsnio dalį skaitykite čia: Tranzistoriaus istorija.

Ką reiškia vardas „tranzistorius“

Tranzistorius ne iš karto gavo tokį pažįstamą vardą. Iš pradžių, remiantis analogija su lempos technika, ji buvo vadinama puslaidininkių triodas. Šiuolaikinis vardas susideda iš dviejų žodžių. Pirmasis žodis yra „perdavimas“ (čia aš iš karto prisimenu „transformatorių“) reiškia siųstuvą, keitiklį ir nešiklį. O antroji žodžio pusė primena žodį „rezistorius“ - elektros grandinių detalė, kurios pagrindinė savybė yra elektrinė varža.

Būtent šis pasipriešinimas atsiranda Ohmo įstatyme ir daugelyje kitų elektrotechnikos formulių. Todėl žodį „tranzistorius“ galima interpretuoti kaip varžos keitiklį. Maždaug tiek, kiek hidraulikoje, skysčio srauto pokyčius kontroliuoja vožtuvas. Tranzistoriui toks „vožtuvas“ keičia elektros krūvį, sukuriantį elektros srovę. Šis pokytis yra ne kas kita, kaip puslaidininkinio įtaiso vidinės varžos pokytis.

Elektrinių signalų stiprinimas

Dažniausiai atliekama operacija tranzistoriaiyra elektrinių signalų stiprinimas. Bet tai nėra visai teisinga išraiška, nes silpnas mikrofono signalas išlieka toks.

Stiprinimas taip pat reikalingas radijuje ir televizijoje: silpnas milijardinės vatos antenos signalas turi būti sustiprintas tiek, kad garsas ar vaizdas pasirodytų ekrane. Tai yra kelių dešimčių, o kai kuriais atvejais ir šimtų vatų galia. Todėl stiprinimo procesas yra sumažintas, siekiant užtikrinti, kad naudojant papildomus energijos šaltinius, gaunamus iš maitinimo šaltinio, būtų galima gauti silpną silpno įvesties signalo galingą kopiją. Kitaip tariant, mažos galios įėjimas stimuliuoja galingus energijos srautus.

Amplifikacija kitose technologijos ir gamtos srityse

Tokių pavyzdžių galima rasti ne tik elektros grandinėse. Pavyzdžiui, paspaudus dujų pedalą, automobilio greitis padidėja. Tuo pačiu metu nereikia labai stipriai spausti dujų pedalo - palyginti su variklio galia, slėgis ant pedalo yra nereikšmingas. Norėdami sumažinti greitį, pedalą teks šiek tiek atleisti, susilpninti įvesties efektą. Šioje situacijoje benzinas yra galingas energijos šaltinis.

Tą patį poveikį galima pastebėti ir hidraulikoje: labai mažai išleidžiama atidaryti elektromagnetinį vožtuvą, pavyzdžiui, staklėse. O alyvos slėgis mechanizmo stūmokliui gali sukurti kelių tonų jėgą. Šią jėgą galima reguliuoti, jei alyvos vamzdyje yra reguliuojamas vožtuvas, kaip ir įprastame virtuvės maišytuve. Šiek tiek uždengtas - slėgis krito, slėgis sumažėjo. Jei atidarėte daugiau, tada slėgis sustiprėjo.

Norint pasukti vožtuvą, taip pat nereikia dėti ypatingų pastangų. Šiuo atveju mašinos siurblinė yra išorinis energijos šaltinis. Ir gamtoje, ir technologijose yra labai daug panašių padarinių. Bet vis tiek mes labiau domimės tranzistoriumi, todėl turėsime apsvarstyti toliau ...

Signalų stiprintuvai

Daugelyje stiprinančių grandinių tranzistoriai arba elektronų vamzdeliai naudojami kaip kintamasis rezistorius, kurio varža keičiasi veikiant silpnam įvesties signalui. Šis "kintamasis rezistorius" yra neatsiejama nuolatinės srovės grandinės dalis, kuri gauna energiją, pavyzdžiui, iš galvaniniai elementai ar baterijos, todėl grandinėje pradeda tekėti nuolatinė srovė. Pradinė šios srovės vertė (dar nėra įvesties signalo) nustatoma nustatant grandinę.

Veikiant įvesties signalui, aktyviojo elemento (tranzistoriaus ar lempos) vidinė varža kinta kartu su įvesties signalu. Todėl nuolatinė srovė virsta kintama srove, sukuriant galingą įvesties signalo kopiją esant apkrovai. Kaip tiksli bus ši kopija, priklauso nuo daugelio sąlygų, tačiau apie tai kalbėsime vėliau.

Įvesties signalo veikimas yra labai panašus į aukščiau paminėtą dujų pedalą arba hidraulinės sistemos vožtuvą. Norėdami suprasti, kas yra toks vartų vožtuvas tranzistoriuje, turite pasakyti, bent jau labai supaprastintą, bet teisingą ir suprantamą apie kai kuriuos procesus puslaidininkiuose.

Laidumas ir atominė struktūra

Elektros srovė sukuriama dėl elektronų judėjimo laidininku. Norėdami suprasti, kaip tai atsitiks, turėsite atsižvelgti į atomo struktūrą. Svarstymas, be abejo, bus kiek įmanoma supaprastintas, netgi primityvus, tačiau leisiantis jums suprasti proceso esmę, ne daugiau, nei būtina apibūdinti puslaidininkių veikimą.

1913 m. Danų fizikas Niels Bohr pasiūlė planetinį atomo modelį, kuris parodytas 1 paveiksle.

1 pav. Planetų atomo modelis

Remiantis jo teorija, atomą sudaro branduolys, kurį, savo ruožtu, sudaro protonai ir neutronai. Protonai yra teigiamo elektros krūvio nešėjai, o neutronai - elektriškai neutralūs.

Aplink branduolį elektronai sukasi orbitose, kurių neigiamas elektrinis krūvis yra. Protonų ir elektronų skaičius atome yra tas pats, o branduolio elektrinis krūvis yra subalansuotas bendru elektronų krūviu. Tokiu atveju jie sako, kad atomas yra pusiausvyros būsenoje arba yra elektriškai neutralus, tai yra, jis neturi teigiamo ar neigiamo krūvio.

Jei atomas praranda elektroną, tada jo elektrinis krūvis tampa teigiamas, o pats atomas tokiu atveju tampa teigiamu jonu. Jei atomas prie savęs prisijungia svetimuoju elektronu, tada jis vadinamas neigiamu jonu.

2 paveiksle parodytas periodinės lentelės fragmentas. Atkreipkime dėmesį į stačiakampį, kuriame yra silicis (Si).

2 pav. Periodinės lentelės fragmentas

Apatiniame dešiniajame kampe yra skaičių stulpelis. Jie parodo, kaip elektronai pasiskirsto atomo orbitose - apatiniame skaitmenyje, arčiausiai orbitos šerdies. Atidžiai pažiūrėję į 1 paveikslą, galime užtikrintai pasakyti, kad turime silicio atomą, kurio elektronų pasiskirstymas yra 2, 8, 4. 1 paveikslas yra didelis, jis beveik parodo, kad elektronų orbita yra sferinė, tačiau dėl tolesnių argumentų galime manyti, kad jie yra toje pačioje plokštumoje, o visi elektronai eina tuo pačiu keliu, kaip parodyta 3 paveiksle.

3 pav

Lotyniškos raidės paveiksle nurodo apvalkalą. Priklausomai nuo elektronų skaičiaus atome, jų skaičius gali būti skirtingas, bet ne daugiau kaip septyni: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Kiekvienoje orbitoje jis gali būti tam tikru elektronų skaičiumi. Pavyzdžiui, paskutiniame Q yra net 98, mažiau yra įmanoma, ne daugiau. Tiesą sakant, kalbant apie mūsų istoriją, šio pasiskirstymo galima nepaisyti: mus domina tik elektronai, esantys išorinėje orbitoje.

Žinoma, iš tikrųjų visi elektronai išvis nesisuka toje pačioje plokštumoje: net 2 elektronai, esantys orbitoje pavadinimu K, sukasi sferinėse orbitose, esančiose labai arti. O ką mes galime pasakyti apie aukštesnio lygio orbitas! Ten atsitinka ... Bet dėl ​​argumentavimo paprastumo mes manome, kad viskas vyksta vienoje plokštumoje, kaip parodyta 3 paveiksle.

Tokiu atveju net krištolo gardelę galima pateikti plokščia forma, kuri palengvins medžiagos supratimą, nors iš tikrųjų ji yra daug sudėtingesnė. Plokščias tinklelis parodytas 4 paveiksle.

4 pav

Išorinio sluoksnio elektronai vadinami valencija. Būtent jie yra parodyti paveiksle (likę elektronai neturi reikšmės mūsų istorijai).Būtent jie dalyvauja atomų sujungime į molekules ir, kurdami skirtingas medžiagas, nustato jų savybes.

Būtent jie gali atitrūkti nuo atomo ir laisvai klaidžioti, o jei yra tam tikros sąlygos, sukurti elektros srovę. Be to, būtent išoriniuose apvalkale vyksta procesai, kurių metu atsiranda tranzistoriai - puslaidininkių stiprinimo įtaisai.

Straipsnio tęsinys: Tranzistoriai 2 dalis. Laidininkai, izoliatoriai ir puslaidininkiai.

Borisas Aladyshkinas