Transitor: mục đích, thiết bị và nguyên tắc hoạt động

Xem phần đầu tiên của bài viết ở đây: Lịch sử bóng bán dẫn.

Cái tên "bóng bán dẫn" nghĩa là gì

Các bóng bán dẫn đã không ngay lập tức nhận được một cái tên quen thuộc như vậy. Ban đầu, bằng cách tương tự với kỹ thuật đèn, nó được gọi là triode bán dẫn. Tên hiện đại bao gồm hai từ. Từ đầu tiên là chuyển giao trực tiếp (ở đây, tôi ngay lập tức nhớ lại máy biến áp trực tiếp) có nghĩa là một máy phát, chuyển đổi và vận chuyển. Và nửa sau của từ này giống với từ "điện trở" - một chi tiết của các mạch điện, thuộc tính chính của nó là điện trở.

Chính sự kháng cự này xảy ra trong định luật Ohm và nhiều công thức khác của kỹ thuật điện. Do đó, từ "bóng bán dẫn" có thể được hiểu là một công cụ chuyển đổi điện trở. Cũng giống như trong thủy lực, sự thay đổi lưu lượng chất lỏng được điều khiển bằng van. Đối với một bóng bán dẫn, một van Van như vậy thay đổi lượng điện tích tạo ra dòng điện. Sự thay đổi này không gì khác hơn là thay đổi điện trở trong của thiết bị bán dẫn.

Khuếch đại tín hiệu điện

Các hoạt động phổ biến nhất được thực hiện bóng bán dẫnlà khuếch đại tín hiệu điện. Nhưng đây không phải là biểu hiện đúng, vì tín hiệu yếu từ micro vẫn còn như vậy.

Khuếch đại cũng được yêu cầu trong đài phát thanh và truyền hình: tín hiệu yếu từ một phần tỷ ăng ten watt phải được khuếch đại đến mức thu được hình ảnh âm thanh hoặc màn hình. Và đây là một sức mạnh của vài chục, và trong một số trường hợp hàng trăm watt. Do đó, quá trình khuếch đại được giảm xuống bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng mạnh mẽ nhận được từ nguồn cung cấp, để có được một bản sao mạnh mẽ của tín hiệu đầu vào yếu. Nói cách khác, một đầu vào công suất thấp kích thích các luồng năng lượng mạnh mẽ.

Khuếch đại trong các lĩnh vực khác của công nghệ và tự nhiên

Những ví dụ như vậy có thể được tìm thấy không chỉ trong các mạch điện. Chẳng hạn, khi bạn nhấn bàn đạp ga, tốc độ của xe tăng lên. Đồng thời, bạn không cần phải nhấn bàn đạp ga rất mạnh - so với công suất động cơ, áp lực lên bàn đạp là không đáng kể. Để giảm tốc độ, bàn đạp sẽ phải được giải phóng phần nào, để làm suy yếu hiệu ứng đầu vào. Trong tình huống này, xăng là một nguồn năng lượng mạnh mẽ.

Hiệu ứng tương tự có thể được quan sát trong thủy lực học: rất ít chi cho việc mở van điện từ, ví dụ như trong một công cụ máy móc. Và áp suất dầu trên piston của cơ chế có thể tạo ra một lực vài tấn. Lực này có thể được điều chỉnh nếu một van điều chỉnh được cung cấp trong ống dầu, như trong vòi bếp thông thường. Hơi bị che đậy - áp lực giảm, áp lực giảm. Nếu bạn mở nhiều hơn, thì áp lực tăng lên.

Cũng không cần thiết phải thực hiện những nỗ lực đặc biệt để xoay van. Trong trường hợp này, trạm bơm của máy là nguồn năng lượng bên ngoài. Và có rất nhiều ảnh hưởng tương tự trong tự nhiên và công nghệ. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn quan tâm nhiều hơn đến bóng bán dẫn, vì vậy chúng tôi sẽ phải xem xét thêm ...

Bộ khuếch đại tín hiệu

Trong hầu hết các mạch khuếch đại, bóng bán dẫn hoặc ống điện tử được sử dụng làm điện trở thay đổi, điện trở thay đổi dưới ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào yếu. "Biến trở" này là một phần không thể thiếu của mạch DC, ví dụ, nhận nguồn điện từ tế bào mạ điện hoặc pin, vì vậy một dòng điện không đổi bắt đầu chảy trong mạch. Giá trị ban đầu của dòng điện này (chưa có tín hiệu đầu vào) được đặt khi thiết lập mạch.

Dưới ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào, điện trở trong của phần tử hoạt động (bóng bán dẫn hoặc đèn) thay đổi theo thời gian với tín hiệu đầu vào. Do đó, dòng điện trực tiếp biến thành dòng điện xoay chiều, tạo ra một bản sao mạnh mẽ của tín hiệu đầu vào khi tải. Bản sao này chính xác đến mức nào sẽ phụ thuộc vào nhiều điều kiện, nhưng chúng ta sẽ nói về điều này sau.

Hoạt động của tín hiệu đầu vào rất giống với bàn đạp ga được đề cập ở trên hoặc van trong hệ thống thủy lực. Để hiểu van cổng như vậy trong bóng bán dẫn là gì, bạn phải nói, ít nhất là rất đơn giản, nhưng đúng và dễ hiểu về một số quy trình trong chất bán dẫn.

Độ dẫn điện và cấu trúc nguyên tử

Một dòng điện được tạo ra do sự chuyển động của các electron trong dây dẫn. Để hiểu điều này xảy ra như thế nào, bạn sẽ phải xem xét cấu trúc của nguyên tử. Tất nhiên, việc xem xét sẽ được đơn giản hóa nhất có thể, thậm chí nguyên thủy, nhưng cho phép bạn hiểu bản chất của quy trình, không cần thiết phải mô tả hoạt động của chất bán dẫn.

Năm 1913, nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr đã đề xuất một mô hình hành tinh của nguyên tử, được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Mô hình nguyên tử hành tinh

Theo lý thuyết của ông, một nguyên tử bao gồm một hạt nhân, lần lượt, bao gồm các proton và neutron. Proton là chất mang điện tích dương và neutron trung hòa về điện.

Xung quanh hạt nhân, các electron quay theo quỹ đạo có điện tích âm. Số lượng proton và electron trong nguyên tử là như nhau, và điện tích của hạt nhân được cân bằng bởi tổng điện tích của electron. Trong trường hợp này, họ nói rằng nguyên tử ở trạng thái cân bằng hoặc trung hòa về điện, nghĩa là nó không mang điện tích dương hay âm.

Nếu một nguyên tử mất một điện tử, thì điện tích của nó trở nên dương và chính nguyên tử trong trường hợp này trở thành một ion dương. Nếu một nguyên tử gắn vào chính nó một electron lạ, thì nó được gọi là ion âm.

Hình 2 cho thấy một đoạn của bảng tuần hoàn. Chúng ta hãy chú ý đến hình chữ nhật trong đó silicon (Si) được đặt.

Hình 2. Đoạn của bảng tuần hoàn

Ở góc dưới bên phải là một cột số. Chúng cho thấy các electron được phân phối trên quỹ đạo của nguyên tử - chữ số dưới cùng gần với lõi của quỹ đạo nhất. Nếu bạn nhìn kỹ vào Hình 1, thì chúng ta có thể tự tin nói rằng chúng ta có một nguyên tử silicon có phân bố electron là 2, 8, 4. Hình 1 là rất lớn, nó gần như cho thấy quỹ đạo của các electron là hình cầu, nhưng để suy luận thêm, chúng ta có thể cho rằng chúng ở trong cùng một mặt phẳng và tất cả các electron chạy dọc theo cùng một rãnh, như trong Hình 3.

Hình 3

Chữ Latin trong hình chỉ ra vỏ. Tùy thuộc vào số lượng electron trong nguyên tử, số lượng của chúng có thể khác nhau, nhưng không quá bảy: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Trong mỗi quỹ đạo, nó có thể là một số electron nhất định. Ví dụ, trên Q cuối cùng có tới 98, ít hơn là có thể, không nhiều hơn. Trên thực tế, về câu chuyện của chúng tôi, phân phối này có thể bị bỏ qua: chúng tôi chỉ quan tâm đến các electron nằm ở quỹ đạo bên ngoài.

Tất nhiên, trên thực tế, tất cả các electron đều không quay trong cùng một mặt phẳng: thậm chí 2 electron nằm trên quỹ đạo có tên K quay theo quỹ đạo hình cầu nằm rất gần nhau. Và chúng ta có thể nói gì về quỹ đạo với cấp độ cao hơn! Nó xảy ra ... Nhưng để đơn giản hóa lý luận, chúng tôi giả định rằng mọi thứ xảy ra trong một mặt phẳng, như trong Hình 3.

Trong trường hợp này, thậm chí mạng tinh thể có thể được trình bày ở dạng phẳng, điều này sẽ tạo điều kiện cho sự hiểu biết về vật liệu, mặc dù trên thực tế nó phức tạp hơn nhiều. Lưới phẳng được thể hiện trong Hình 4.

Hình 4

Các electron của lớp ngoài được gọi là hóa trị. Đó là chúng được hiển thị trong hình (các điện tử còn lại không quan trọng đối với câu chuyện của chúng tôi).Chính họ tham gia vào sự kết hợp các nguyên tử thành các phân tử và khi tạo ra các chất khác nhau, họ xác định tính chất của chúng.

Chính họ là những người có thể tách ra khỏi nguyên tử và đi lang thang tự do, và nếu có một số điều kiện, hãy tạo ra một dòng điện. Ngoài ra, chính lớp vỏ ngoài mà các quá trình xảy ra dẫn đến bóng bán dẫn - thiết bị khuếch đại bán dẫn.

Tiếp tục bài viết: Bóng bán dẫn Phần 2. Chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn.

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Thường bắt gặp khái niệm bóng bán dẫn, nhưng thậm chí không nghĩ rằng mọi thứ quá phức tạp và thú vị. Tôi đã học được rất nhiều cho bản thân mình, nhưng bóng bán dẫn có mặt trong hầu hết các thiết bị.

[#2]

Bạn đã nghe nói về sự tồn tại của các loại bóng bán dẫn pnp và npn chưa? Họ làm việc theo những cách hoàn toàn khác nhau. Bài viết chỉ đề cập đến một hình thức. Bạn không thương lượng và điều này là sai lệch.

[#3]

Hiệu ứng tương tự có thể được quan sát trong thủy lực học: rất ít năng lượng được sử dụng để mở van điện từ, ví dụ, trong một công cụ máy móc.