Transistorer: formål, enhed og driftsprincipper

Se den første del af artiklen her: Transistor historie.

Hvad betyder navnet "transistor"

Transistoren modtog ikke straks et så kendt navn. Oprindeligt kaldtes det analogt med lampeteknikken halvledertriode. Det moderne navn består af to ord. Det første ord er "overførsel" (her husker jeg med det samme "transformer") betyder en sender, konverter og bærer. Og den anden halvdel af ordet ligner ordet "modstand" - en detalje af elektriske kredsløb, hvis vigtigste egenskab er elektrisk modstand.

Det er denne modstand, der forekommer i Ohms lov og mange andre formler for elektroteknik. Derfor kan ordet "transistor" fortolkes som en modstandskonverter. Cirka det samme som i hydraulik styres ændringen i væskestrømmen af ​​en ventil. For en transistor ændrer en sådan "ventil" mængden af ​​elektriske ladninger, der skaber en elektrisk strøm. Denne ændring er intet andet end en ændring i den interne modstand for en halvlederanordning.

Forstærkning af elektriske signaler

Den mest almindelige operation, der udføres transistorerDet er forstærkning af elektriske signaler. Men dette er ikke helt det rigtige udtryk, fordi det svage signal fra mikrofonen forbliver det.

Forstærkning er også påkrævet i radio og tv: et svagt signal fra en milliardind watt antenne skal forstærkes i en sådan grad, at der vises en lyd eller et billede på skærmen. Og dette er en styrke på flere titalls og i nogle tilfælde hundreder af watt. Derfor reduceres amplificeringsprocessen for at sikre, at man ved hjælp af yderligere energikilder, der modtages fra strømforsyningen, opnår en kraftig kopi af et svagt input-signal. Med andre ord stimulerer et lavt effektindgang kraftige energistrømme.

Forstærkning inden for andre teknologi- og naturområder

Sådanne eksempler findes ikke kun i elektriske kredsløb. For eksempel når du trykker på gaspedalen, øges hastigheden på bilen. På samme tid behøver du ikke trykke hårdt på gaspedalen - sammenlignet med motorkraften er trykket på pedalen ubetydelig. For at reducere hastigheden skal pedalen frigøres noget for at svække inputeffekten. I denne situation er benzin en kraftig energikilde.

Den samme effekt kan ses i hydraulik: meget lidt bruges på at åbne en elektromagnetisk ventil, for eksempel i et værktøjsmaskine. Og olietrykket på mekanismens stempel kan skabe en styrke på flere tons. Denne kraft kan justeres, hvis der er tilvejebragt en justerbar ventil i olierøret, som i en konventionel køkkenhane. Lidt tildækket - trykket faldt, trykket faldt. Hvis du åbnede mere, blev presset intensiveret.

Det er heller ikke nødvendigt at gøre en særlig indsats for at dreje ventilen. I dette tilfælde er maskinens pumpestation en ekstern energikilde. Og der er mange lignende påvirkninger i natur og teknologi. Men alligevel er vi mere interesseret i transistoren, så vi bliver nødt til at overveje yderligere ...

Signalforstærkere

I de fleste forstærkende kredsløb anvendes transistorer eller elektroniske rør som en variabel modstand, hvis modstand ændres under påvirkning af et svagt indgangssignal. Denne "variable modstand" er en integreret del af DC-kredsløbet, der f.eks. Modtager strøm fra galvaniske celler eller batterier, så en konstant strøm begynder at strømme i kredsløbet. Begyndelsesværdien af ​​denne strøm (der er ikke noget indgangssignal endnu) indstilles, når kredsløbet opsættes.

Under indflydelse af indgangssignalet ændres den interne modstandsevne for det aktive element (transistor eller lampe) i tid med indgangssignalet. Derfor bliver likestrøm til vekselstrøm, hvilket skaber en kraftig kopi af indgangssignalet ved belastningen. Hvor nøjagtig denne kopi vil være, afhænger af mange forhold, men vi vil tale om dette senere.

Indsignalets virkning ligner meget gaspedalen nævnt ovenfor eller ventilen i det hydrauliske system. For at forstå, hvad der er sådan en portventil i en transistor, skal du fortælle, i det mindste meget forenklet, men sand og forståelig om nogle processer i halvledere.

Konduktivitet og atomstruktur

Der oprettes en elektrisk strøm på grund af bevægelse af elektroner i lederen. For at forstå, hvordan dette sker, bliver du nødt til at overveje atomets struktur. Overvejelsen vil naturligvis være så forenklet som muligt, endda primitiv, men giver dig mulighed for at forstå essensen af ​​processen, ikke mere end nødvendigt for at beskrive driften af ​​halvledere.

I 1913 foreslog den danske fysiker Niels Bohr en planetarisk model af atomet, som er vist i figur 1.

Figur 1. Planetatommodel

I følge hans teori består et atom af en kerne, der igen består af protoner og neutroner. Protoner er bærere af en positiv elektrisk ladning, og neutroner er elektrisk neutrale.

Omkring kernen roterer elektroner i kredsløb, hvis negative elektriske ladning er. Antallet af protoner og elektroner i et atom er det samme, og den elektriske ladning af kernen er afbalanceret med den samlede ladning af elektroner. I dette tilfælde siger de, at atomet er i en ligevægtstilstand eller er elektrisk neutral, dvs. at det ikke bærer en positiv eller negativ ladning.

Hvis et atom mister et elektron, bliver dets elektriske ladning positivt, og selve atomet i dette tilfælde bliver en positiv ion. Hvis et atom binder til sig selv et fremmed elektron, kaldes det en negativ ion.

Figur 2 viser et fragment af den periodiske tabel. Lad os være opmærksomme på det rektangel, hvor silicium (Si) er placeret.

Figur 2. Fragment af den periodiske tabel

I det nederste højre hjørne er en kolonne med tal. De viser, hvordan elektronerne er fordelt over atomets kredsløb - det nederste ciffer, der er tættest på bane af kernen. Hvis man ser nøje på figur 1, kan vi med tillid sige, at vi har et siliciumatom med en elektronfordeling på 2, 8, 4. Figur 1 er voluminøs, det viser næsten, at banernes baner er sfæriske, men af ​​yderligere grunde kan vi antage, at de er i det samme plan, og alle elektroner kører langs det samme spor, som vist i figur 3.

Figur 3

Latinske bogstaver i figuren viser skallen. Afhængigt af antallet af elektroner i et atom kan deres antal være forskelligt, men højst syv: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. I hver bane kan det være et vist antal elektroner. For eksempel er der på det sidste Q så mange som 98, mindre er muligt, ikke mere. Faktisk, hvad angår vores historie, kan denne distribution distribueres: vi er kun interesseret i elektroner beliggende i den ydre bane.

Naturligvis roterer faktisk alle elektronerne overhovedet ikke i det samme plan: selv 2 elektroner, der er i en bane med navnet K, roterer i sfæriske kredsløb placeret meget tæt. Og hvad kan vi sige om baner med højere niveauer! Der sker det ... Men for enkeltheden af ​​ræsonnement antager vi, at alt sker i et plan, som vist i figur 3.

I dette tilfælde kan selv krystalgitteret præsenteres i en flad form, hvilket vil gøre det lettere at forstå materialet, skønt det faktisk er meget mere kompliceret. Det flade gitter er vist i figur 4.

Figur 4

Elektronerne i det ydre lag kaldes valens. Det er dem, der er vist i figuren (de resterende elektroner betyder ikke noget for vores historie).Det er de, der deltager i foreningen af ​​atomer til molekyler, og når de skaber forskellige stoffer, bestemmer de deres egenskaber.

Det er dem, der kan bryde væk fra atomet og vandre frit, og hvis der er nogle betingelser, skab en elektrisk strøm. Derudover er det i de ydre skaller, at processerne forekommer, der resulterer i transistorer - halvlederforstærkeranordninger.

Fortsættelse af artiklen: Transistorer. Del 2. Ledere, isolatorer og halvledere.

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Ofte stødte på begrebet transistorer, men troede ikke engang, at alt var så kompliceret og interessant. Jeg lærte meget for mig selv, men transistorer er til stede i næsten alt udstyr.

[#2]

Har du hørt om eksistensen af ​​pnp- og npn-typer transistorer? De arbejder på helt forskellige måder. Artiklen omhandler kun en form. Du forhandler ikke, og dette er vildledende.

[#3]

Den samme effekt kan observeres i hydraulik: meget lidt energi bruges til at åbne en elektromagnetisk ventil, for eksempel i et værktøjsmaskine.