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Transistor: scopo, dispositivo e principi di funzionamento
Vedi la prima parte dell'articolo qui: Storia dei transistor.
Cosa significa il nome "transistor"
Il transistor non ha ricevuto immediatamente un nome così familiare. Inizialmente, per analogia con la tecnica della lampada, fu chiamato triodo a semiconduttore. Il nome moderno è composto da due parole. La prima parola è "trasferimento" (qui, ricordo immediatamente "trasformatore") significa un trasmettitore, un convertitore e un vettore. E la seconda metà della parola ricorda la parola "resistenza" - un dettaglio dei circuiti elettrici, la cui proprietà principale è la resistenza elettrica.
È questa resistenza che si verifica nella legge di Ohm e in molte altre formule di ingegneria elettrica. Pertanto, la parola "transistor" può essere interpretata come un convertitore di resistenza. Più o meno come nell'idraulica, la variazione del flusso del fluido è controllata da una valvola. Per un transistor, una tale "valvola" modifica la quantità di cariche elettriche che creano una corrente elettrica. Questo cambiamento non è altro che un cambiamento nella resistenza interna di un dispositivo a semiconduttore.
Amplificazione di segnali elettrici
L'operazione più comune che viene eseguita transistorisi tratta di amplificazione di segnali elettrici. Ma questa non è esattamente la giusta espressione, perché il segnale debole del microfono rimane tale.
L'amplificazione è richiesta anche in radio e televisione: un segnale debole proveniente da un'antenna da un miliardesimo di watt deve essere amplificato a tal punto da ottenere un'immagine sonora o dello schermo. E questa è una potenza di diverse decine, e in alcuni casi centinaia di watt. Pertanto, il processo di amplificazione si riduce all'utilizzo di potenti fonti di energia ricevute dall'alimentatore, per ottenere una copia potente di un segnale di ingresso debole. In altre parole, un input a bassa potenza stimola potenti flussi di energia.
Amplificazione in altri settori della tecnologia e della natura
Tali esempi possono essere trovati non solo nei circuiti elettrici. Ad esempio, quando si preme il pedale del gas, la velocità della vettura aumenta. Allo stesso tempo, non è necessario premere a fondo il pedale del gas - rispetto alla potenza del motore, la potenza della pressione del pedale è trascurabile. Per ridurre la velocità, il pedale dovrà essere rilasciato in qualche modo, per indebolire l'effetto di input. In questa situazione, la benzina è una potente fonte di energia.
Lo stesso effetto si può osservare nell'idraulica: si spende molto poco nell'apertura di una valvola elettromagnetica, ad esempio in una macchina utensile. E la pressione dell'olio sul pistone del meccanismo può creare una forza di diverse tonnellate. Questa forza può essere regolata se viene fornita una valvola regolabile nel tubo dell'olio, come in un rubinetto da cucina convenzionale. Leggermente coperto: la pressione calò, la pressione calò. Se hai aperto di più, la pressione si è intensificata.
Non è inoltre necessario compiere sforzi particolari per ruotare la valvola. In questo caso, la stazione di pompaggio della macchina è una fonte esterna di energia. E ci sono molte influenze simili nella natura e nella tecnologia. Tuttavia, siamo più interessati al transistor, quindi dovremo considerare ulteriormente ...
Amplificatori di segnale
Nella maggior parte dei circuiti di amplificazione, transistor o tubi elettronici sono usati come resistori variabili, la cui resistenza cambia sotto l'influenza di un segnale di ingresso debole. Questo "resistore variabile" è parte integrante del circuito CC, che riceve energia, ad esempio, da celle galvaniche o batterie, quindi una corrente costante inizia a fluire nel circuito. Il valore iniziale di questa corrente (non è ancora presente alcun segnale di ingresso) viene impostato durante l'impostazione del circuito.
Sotto l'influenza del segnale di ingresso, la resistenza interna dell'elemento attivo (transistor o lampada) cambia nel tempo con il segnale di ingresso. Pertanto, la corrente continua si trasforma in corrente alternata, creando una potente copia del segnale di ingresso al carico. Quanto accurata sarà questa copia dipende da molte condizioni, ma ne parleremo più avanti.
L'azione del segnale di ingresso è molto simile al pedale del gas sopra menzionato o alla valvola nel sistema idraulico. Per capire cos'è una tale valvola a saracinesca in un transistor, devi dire, almeno molto semplificato, ma vero e comprensibile su alcuni processi nei semiconduttori.
Conduttività e struttura atomica
Una corrente elettrica viene creata a causa del movimento di elettroni nel conduttore. Per capire come ciò accada, dovrai considerare la struttura dell'atomo. La considerazione, ovviamente, sarà il più semplice possibile, persino primitiva, ma consentendoti di comprendere l'essenza del processo, non più di quanto sia necessario per descrivere il funzionamento dei semiconduttori.
Nel 1913, il fisico danese Niels Bohr propose un modello planetario dell'atomo, che è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Modello atomico planetario
Secondo la sua teoria, un atomo è costituito da un nucleo, che a sua volta è costituito da protoni e neutroni. I protoni sono portatori di una carica elettrica positiva e i neutroni sono elettricamente neutri.
Intorno al nucleo, gli elettroni ruotano in orbite la cui carica elettrica negativa è. Il numero di protoni ed elettroni in un atomo è lo stesso e la carica elettrica del nucleo è bilanciata dalla carica totale degli elettroni. In questo caso, dicono che l'atomo è in uno stato di equilibrio o è elettricamente neutro, cioè non ha una carica positiva o negativa.
Se un atomo perde un elettrone, allora la sua carica elettrica diventa positiva e l'atomo stesso in questo caso diventa uno ione positivo. Se un atomo si attacca a se stesso un elettrone estraneo, allora si chiama ione negativo.
La Figura 2 mostra un frammento della tavola periodica. Prestiamo attenzione al rettangolo in cui si trova il silicio (Si).
Figura 2. Frammento della tavola periodica
Nell'angolo in basso a destra c'è una colonna di numeri. Mostrano come gli elettroni sono distribuiti sulle orbite dell'atomo - la cifra inferiore più vicina al nucleo dell'orbita. Se osservi attentamente la Figura 1, allora possiamo dire con sicurezza che abbiamo un atomo di silicio con una distribuzione elettronica di 2, 8, 4. La Figura 1 è voluminosa, mostra quasi che le orbite degli elettroni sono sferiche, ma per ulteriori ragionamenti, possiamo supporre che esse si trovano sullo stesso piano e tutti gli elettroni corrono lungo la stessa traccia, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3
Le lettere latine nella figura indicano la conchiglia. A seconda del numero di elettroni in un atomo, il loro numero può essere diverso, ma non più di sette: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. In ogni orbita, può essere un certo numero di elettroni. Ad esempio, nell'ultima Q ce ne sono ben 98, meno è possibile, non di più. In realtà, in termini di storia, questa distribuzione può essere ignorata: siamo interessati solo agli elettroni situati nell'orbita esterna.
Naturalmente, infatti, tutti gli elettroni non ruotano affatto sullo stesso piano: anche 2 elettroni che sono in un'orbita con il nome K ruotano in orbite sferiche situate molto vicine. E cosa possiamo dire delle orbite con livelli più alti! Lì succede ... Ma per semplicità di ragionamento, supponiamo che tutto accada su un piano, come mostrato nella Figura 3.
In questo caso, anche il reticolo cristallino può essere presentato in una forma piatta, il che faciliterà la comprensione del materiale, sebbene in realtà sia molto più complicato. La griglia piatta è mostrata in Figura 4.
Figura 4
Gli elettroni dello strato esterno sono chiamati valenza. Sono loro che sono mostrati nella figura (gli elettroni rimanenti non contano per la nostra storia).Sono loro che partecipano all'unione degli atomi in molecole e quando creano sostanze diverse determinano le loro proprietà.
Sono loro che possono staccarsi dall'atomo e vagare liberamente, e se ci sono alcune condizioni, creano una corrente elettrica. Inoltre, è nei gusci esterni che si verificano i processi che provocano transistor - dispositivi di amplificazione dei semiconduttori.
Continuazione dell'articolo: Transistor. Parte 2. Conduttori, isolanti e semiconduttori.
Boris Aladyshkin
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