Tranzistory: účel, zariadenie a princípy činnosti

Pozri prvú časť článku tu: História tranzistorov.

Čo znamená názov „tranzistor“

Tranzistor okamžite nedostal také známe meno. Spočiatku sa to nazývalo technikou lampy polovodičová trióda, Moderný názov sa skladá z dvoch slov. Prvé slovo je „transfer“ (tu si okamžite spomínam „transformátor“) znamená vysielač, prevodník a nosič. A druhá polovica slova sa podobá slovu „odpor“ - detail elektrických obvodov, ktorých hlavnou vlastnosťou je elektrický odpor.

Je to tento odpor, ktorý sa vyskytuje v Ohmovom zákone a mnohých ďalších vzorcoch elektrotechniky. Preto slovo „tranzistor“ možno interpretovať ako odporový menič. Približne ako v hydraulike je zmena prietoku tekutiny riadená ventilom. Pre tranzistor takáto „ventil“ mení množstvo elektrických nábojov, ktoré vytvárajú elektrický prúd. Táto zmena nie je nič iné ako zmena vnútorného odporu polovodičového zariadenia.

Zosilnenie elektrických signálov

Najbežnejšia operácia, ktorá sa vykonáva tranzistoryto je zosilnenie elektrických signálov, To však nie je celkom správny výraz, pretože slabý signál z mikrofónu tak zostáva.

Zosilnenie sa vyžaduje aj v rádiu a televízii: slabý signál z milióntinovej antény sa musí zosilniť do tej miery, aby sa na obrazovke objavil zvuk alebo obraz. A to je výkon niekoľkých desiatok av niektorých prípadoch stovky wattov. Preto sa proces amplifikácie redukuje, aby sa zabezpečilo, že pomocou dodatočných zdrojov energie získaných zo zdroja energie sa získa silná kópia slabého vstupného signálu. Inými slovami, nízkoenergetický vstup stimuluje silné toky energie.

Zosilnenie v iných oblastiach techniky a prírody

Takéto príklady možno nájsť nielen v elektrických obvodoch. Napríklad, keď stlačíte plynový pedál, rýchlosť vozidla sa zvýši. Zároveň nemusíte veľmi stlačiť plynový pedál - v porovnaní s výkonom motora je tlak na pedál zanedbateľný. Aby sa znížila rýchlosť, pedál sa musí trochu uvoľniť, aby sa oslabil vstupný efekt. V tejto situácii je benzín mocným zdrojom energie.

Rovnaký účinok je možné pozorovať v hydraulike: veľmi málo sa vynakladá na otvorenie elektromagnetického ventilu, napríklad v obrábacom stroji. Tlak oleja na piest mechanizmu môže vytvoriť silu niekoľkých ton. Túto silu je možné nastaviť, ak je v olejovom potrubí usporiadaný nastaviteľný ventil, ako je to v prípade bežného kuchynského kohútika. Mierne zakryté - tlak klesol, tlak klesol. Ak ste otvorili viac, tlak sa zosilnil.

Otočenie ventilu tiež nie je potrebné. V tomto prípade je čerpacia stanica stroja externým zdrojom energie. A existuje veľa podobných vplyvov v prírode a technológii. Stále nás však zaujíma tranzistor, takže sa budeme musieť ďalej zaoberať ...

Zosilňovače signálu

Vo väčšine zosilňovacích obvodov sa ako variabilný odpor používajú tranzistory alebo elektrónky, ktorých odpor sa mení vplyvom slabého vstupného signálu. Tento "variabilný odpor" je neoddeliteľnou súčasťou jednosmerného obvodu, ktorý prijíma energiu napríklad z galvanické články alebo batérie, takže v obvode začína pretekať konštantný prúd. Počiatočná hodnota tohto prúdu (zatiaľ nie je prítomný žiadny vstupný signál) sa nastavuje pri nastavovaní obvodu.

Pod vplyvom vstupného signálu sa interný odpor aktívneho prvku (tranzistora alebo žiarovky) mení so vstupným signálom v čase. Preto sa jednosmerný prúd mení na striedavý prúd a vytvára tak výkonnú kópiu vstupného signálu pri zaťažení. Ako presná bude táto kópia, závisí od mnohých podmienok, o čom však budeme hovoriť neskôr.

Činnosť vstupného signálu je veľmi podobná plynovému pedálu uvedenému vyššie alebo ventilu v hydraulickom systéme. Aby ste pochopili, čo je taký uzatvárací ventil v tranzistore, musíte povedať, aspoň veľmi zjednodušene, ale pravdivo a zrozumiteľne, o niektorých procesoch v polovodičoch.

Vodivosť a atómová štruktúra

Elektrickým prúdom sa vytvára pohyb elektrónov vo vodiči. Aby ste pochopili, ako sa to deje, musíte zvážiť štruktúru atómu. Úvaha bude samozrejme čo najjednoduchšia, dokonca primitívna, ale umožní vám pochopiť podstatu procesu, nie viac ako je potrebné na opísanie činnosti polovodičov.

V roku 1913 dánsky fyzik Niels Bohr navrhol planétový model atómu, ktorý je znázornený na obrázku 1.

Obrázok 1. Model planétového atómu

Podľa jeho teórie atóm pozostáva z jadra, ktoré sa skladá z protónov a neutrónov. Protóny sú nosičmi pozitívneho elektrického náboja a neutróny sú elektricky neutrálne.

Okolo jadra sa elektróny otáčajú na obežných dráhach, ktorých záporný elektrický náboj je. Počet protónov a elektrónov v atóme je rovnaký a elektrický náboj jadra je vyvážený celkovým nábojom elektrónov. V tomto prípade hovoria, že atóm je v rovnovážnom stave alebo je elektricky neutrálny, to znamená, že nenesie kladný ani záporný náboj.

Ak atóm stratí elektrón, jeho elektrický náboj sa stáva kladným a atóm sa v tomto prípade stáva kladným iónom. Ak sa atóm k sebe pripája cudzím elektrónom, nazýva sa záporný ión.

Obrázok 2 zobrazuje fragment periodickej tabuľky. Venujme pozornosť obdĺžniku, v ktorom sa nachádza kremík (Si).

Obrázok 2. Fragment periodickej tabuľky

V pravom dolnom rohu je stĺpec čísel. Ukazujú, ako sú elektróny distribuované po obežných dráhach atómu - dolná číslica najbližšie k jadru obežnej dráhy. Ak sa pozriete pozorne na obrázok 1, potom môžeme s istotou povedať, že máme atóm kremíka s elektrónovou distribúciou 2, 8, 4. Obrázok 1 je objemový, takmer ukazuje, že obežné dráhy elektrónov sú sférické, ale z ďalších dôvodov môžeme predpokladať, že sú sú v rovnakej rovine a všetky elektróny prebiehajú pozdĺž rovnakej dráhy, ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3

Latinské písmená na obrázku označujú škrupinu. V závislosti od počtu elektrónov v atóme sa ich počet môže líšiť, ale nie viac ako sedem: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Na každej obežnej dráhe môže byť určitý počet elektrónov. Napríklad na poslednom Q je toľko ako 98, menej je možné, už viac. V skutočnosti, pokiaľ ide o náš príbeh, túto distribúciu možno ignorovať: zaujímajú nás iba elektróny umiestnené na vonkajšej obežnej dráhe.

V skutočnosti sa všetky elektróny v skutočnosti vôbec netočia v rovnakej rovine: aj 2 elektróny, ktoré sú na obežnej dráhe s názvom K, sa otáčajú guľovými obežnými dráhami umiestnenými veľmi blízko. A čo môžeme povedať o orbitoch s vyššími úrovňami! Tam sa to stáva ... Ale pre jednoduchosť odôvodnenia predpokladáme, že všetko sa deje v jednej rovine, ako je znázornené na obrázku 3.

V tomto prípade môže byť aj kryštalická mriežka predložená v plochej forme, čo uľahčí pochopenie materiálu, aj keď v skutočnosti je oveľa komplikovanejšia. Plochá mriežka je znázornená na obrázku 4.

Obrázok 4

Elektróny vonkajšej vrstvy sa nazývajú valenciou. Sú to tie, ktoré sú zobrazené na obrázku (pre náš príbeh nezáleží na zvyšných elektrónoch).Sú to oni, ktorí sa podieľajú na spájaní atómov do molekúl a keď vytvárajú rôzne látky, určujú svoje vlastnosti.

Sú to oni, ktorí sa môžu slobodne odtrhnúť od atómu a blúdiť, a ak sú podmienky, vytvoria elektrický prúd. Okrem toho dochádza k procesom, ktoré majú za následok tranzistory - polovodičové zosilňovacie zariadenia.

Pokračovanie článku: Tranzistory. Časť 2. Vodiče, izolátory a polovodiče.

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Koncept tranzistorov sa často stretol, ale ani si nemyslel, že všetko je také komplikované a zaujímavé. Naučil som sa veľa pre seba, ale tranzistory sú prítomné takmer vo všetkých zariadeniach.

[#2]

Počuli ste už o existencii tranzistorov typu pnp a npn? Pracujú úplne iným spôsobom. Článok sa zaoberá iba jednou formou. Nehovoríte, a to je klamlivé.

[#3]

Rovnaký účinok je možné pozorovať v hydraulike: na otváranie elektromagnetického ventilu, napríklad v obrábacom stroji, sa používa veľmi málo energie.