Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы

Первую часть статьи смотрите здесь: История транзисторов .

Что означает название «транзистор»

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально, по аналогии с ламповой техникой его называли полупроводниковым триодом . Современное название состоит из двух слов. Первое слово – «трансфер», (тут сразу вспоминается «трансформатор») означает передатчик, преобразователь, переносчик. А вторая половина слова напоминает слово «резистор», — деталь электрических схем, основное свойство которой электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Поэтому слово «транзистор» можно растолковать, как преобразователь сопротивления. Примерно так же, как в гидравлике изменение потока жидкости регулируется задвижкой. У транзистора такая «задвижка» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы , является усиление электрических сигналов . Но это не совсем верное выражение, ведь слабый сигнал с микрофона таковым и остается.

Усиление также требуется в радиоприеме и телевидении: слабый сигнал с антенны мощностью в миллиардные доли ватта необходимо усилить до такой степени, чтобы получить звук или изображение на экране. А это уже мощности в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, полученной от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами маломощное входное воздействие управляет мощными потоками энергии.

Усиление в других областях техники и природе

Такие примеры можно найти не только в электрических схемах. Например, при нажатии педали газа увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль газа нажимать приходится не очень сильно – по сравнению с мощностью двигателя мощность нажатия на педаль ничтожна. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, ослабить входное воздействие. В этой ситуации мощным источником энергии является бензин.

Такое же воздействие можно наблюдать и в гидравлике: на открытие электромагнитного клапана, например в станке, энергии, идет совсем немного. А давление масла на поршень механизма способно создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотреть регулируемую задвижку, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрыл — давление упало, усилие снизилось. Если открыл побольше, то и нажим усилился.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Усилители электрических сигналов

В большинстве усилительных схем транзисторы или электронные лампы используются как переменный резистор, сопротивление которого изменяется под действием слабого входного сигнала. Этот «переменный резистор» является составной частью электрической цепи постоянного тока, которая получает питание, например, от гальванических элементов или аккумуляторов, поэтому в цепи начинает протекать постоянный ток. Начальное значение этого тока (входного сигнала еще нет) устанавливается при настройке схемы.

Под действием входного сигнала внутреннее сопротивление активного элемента (транзистора или лампы) изменяется в такт входному сигналу. Поэтому постоянный ток превращается в переменный, создавая на нагрузке мощную копию входного сигнала. Насколько точной будет эта копия, зависит от многих условий, но об этом разговор будет позже.

Действие входного сигнала очень напоминает упомянутые выше педаль газа или задвижку в гидросистеме. Чтобы разобраться в том, что же является такой задвижкой в транзисторе, придется рассказать, хотя бы очень упрощенно, но верно и понятно о некоторых процессах в полупроводниках.

Электропроводность и строение атома

Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Для того, чтобы разобраться, как это происходит, придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенное, даже примитивное, но позволяющее вникнуть в суть процесса, не более, чем нужно для описания работы полупроводников.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Планетарная модель атома

Согласно его теории атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.

Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны, электрический заряд которых отрицательный. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, и электрический заряд ядра уравновешивается общим зарядом электронов. В таком случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, то есть не несет положительного или отрицательного заряда.

Если атом потеряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то его называют отрицательным ионом.

На рисунке 2 показан фрагмент периодической таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).

Рисунок 2. Фрагмент периодической таблицы Менделеева

В правом нижнем углу находится столбик цифр. Они показывают, как распределены электроны по орбитам атома, — нижняя цифра самая ближняя к ядру орбита. Если внимательно приглядеться к рисунку 1, то с уверенностью можно сказать, что перед нами атом кремния с распределением электронов 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейших рассуждений можно считать, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегают по одной дорожке, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Латинскими буквами на рисунке отмечены оболочки. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последней Q целых 98, меньше можно, больше нельзя. Собственно на это распределение в плане нашего рассказа можно внимания не обращать: нас интересуют только электроны, расположенные на внешней орбите.

Конечно, на самом деле все электроны вращаются вовсе не в одной плоскости: даже 2 электрона, которые находятся на орбите с именем K, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там такое происходит… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.

В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле все намного сложней. Плоская решетка показана на рисунке 4.

Рисунок 4.

Электроны внешнего слоя называют валентными. Именно они и показаны на рисунке (остальные электроны для нашего рассказа значения не имеют). Именно они участвуют в соединении атомов в молекулы, и при создании разных веществ определяют их свойства.

Именно они могут отрываться от атома и свободно блуждать, а при наличии некоторых условий создавать электрический ток. Кроме того, именно во внешних оболочках происходят те процессы, в результате которых получаются транзисторы – полупроводниковые усилительные приборы.

Продолжение статьи: Транзисторы. Часть 2. Проводники, изоляторы и полупроводники .