Transistores: finalidade, dispositivo e princípios de operação

Veja a primeira parte do artigo aqui: História do transistor.

O que significa o nome "transistor"

O transistor não recebeu imediatamente um nome tão familiar. Inicialmente, por analogia com a técnica da lâmpada, foi chamado triodo semicondutor. O nome moderno consiste em duas palavras. A primeira palavra é "transferência" (aqui, lembro-me imediatamente de "transformador") significa transmissor, conversor e portadora. E a segunda metade da palavra se assemelha à palavra "resistor" - um detalhe dos circuitos elétricos, cuja principal propriedade é a resistência elétrica.

É essa resistência que ocorre na lei de Ohm e em muitas outras fórmulas de engenharia elétrica. Portanto, a palavra "transistor" pode ser interpretada como um conversor de resistência. Da mesma forma que na hidráulica, a mudança no fluxo de fluido é controlada por uma válvula. Para um transistor, essa "válvula" altera a quantidade de cargas elétricas que criam uma corrente elétrica. Essa mudança nada mais é do que uma alteração na resistência interna de um dispositivo semicondutor.

Amplificação de sinais elétricos

A operação mais comum executada transistoresé amplificação de sinais elétricos. Mas essa não é a expressão correta, porque o sinal fraco do microfone permanece assim.

A amplificação também é necessária no rádio e na televisão: um sinal fraco de um bilionésimo de antena de watt deve ser amplificado a tal ponto que seja obtida uma imagem de som ou tela. E esse é um poder de várias dezenas e, em alguns casos, centenas de watts. Portanto, o processo de amplificação é reduzido ao uso de fontes poderosas de energia recebidas da fonte de alimentação, para obter uma cópia poderosa de um sinal de entrada fraco. Em outras palavras, uma entrada de baixa potência estimula fluxos de energia poderosos.

Amplificação em outras áreas da tecnologia e da natureza

Tais exemplos podem ser encontrados não apenas em circuitos elétricos. Por exemplo, quando você pressiona o pedal do acelerador, a velocidade do carro aumenta. Ao mesmo tempo, você não precisa pressionar o pedal do acelerador com muita força - em comparação com a potência do motor, a pressão no pedal é insignificante. Para reduzir a velocidade, o pedal terá que ser liberado um pouco, para enfraquecer o efeito de entrada. Nesta situação, a gasolina é uma poderosa fonte de energia.

O mesmo efeito pode ser observado na hidráulica: muito pouco é gasto na abertura de uma válvula eletromagnética, por exemplo, em uma máquina-ferramenta. E a pressão do óleo no pistão do mecanismo pode criar uma força de várias toneladas. Essa força pode ser regulada se uma válvula ajustável for fornecida no tubo de óleo, como em uma torneira de cozinha convencional. Ligeiramente encoberto - a pressão caiu, a pressão caiu. Se você abriu mais, a pressão se intensificou.

Também não é necessário fazer esforços especiais para girar a válvula. Nesse caso, a estação de bombeamento da máquina é uma fonte externa de energia. E há muitas influências semelhantes na natureza e na tecnologia. Mas ainda assim, estamos mais interessados ​​no transistor, por isso teremos que considerar mais ...

Amplificadores de sinal

Na maioria dos circuitos de amplificação, transistores ou tubos de elétrons são usados ​​como resistores variáveis, cuja resistência muda sob a influência de um sinal de entrada fraco. Este "resistor variável" é parte integrante do circuito CC, que recebe energia, por exemplo, de células galvânicas ou baterias, para que uma corrente constante comece a fluir no circuito. O valor inicial desta corrente (ainda não há sinal de entrada) é definido ao configurar o circuito.

Sob a influência do sinal de entrada, a resistência interna do elemento ativo (transistor ou lâmpada) muda no tempo com o sinal de entrada. Portanto, a corrente direta se transforma em corrente alternada, criando uma cópia poderosa do sinal de entrada na carga. A precisão dessa cópia depende de muitas condições, mas falaremos sobre isso mais tarde.

A ação do sinal de entrada é muito semelhante ao pedal do acelerador mencionado acima ou à válvula no sistema hidráulico. Para entender o que é uma válvula de gaveta em um transistor, você precisa dizer, pelo menos, muito simplificado, mas verdadeiro e compreensível sobre alguns processos em semicondutores.

Condutividade e estrutura atômica

Uma corrente elétrica é criada devido ao movimento de elétrons no condutor. Para entender como isso acontece, você terá que considerar a estrutura do átomo. A consideração, é claro, será o mais simplificada possível, até primitiva, mas permitindo que você entenda a essência do processo, não mais do que o necessário para descrever a operação de semicondutores.

Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr propôs um modelo planetário do átomo, que é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Modelo de átomo planetário

Segundo sua teoria, um átomo consiste em um núcleo, que, por sua vez, consiste em prótons e nêutrons. Os prótons são portadores de uma carga elétrica positiva e os nêutrons são eletricamente neutros.

Ao redor do núcleo, os elétrons giram em órbitas cuja carga elétrica é negativa. O número de prótons e elétrons em um átomo é o mesmo, e a carga elétrica do núcleo é equilibrada pela carga total de elétrons. Nesse caso, eles dizem que o átomo está em estado de equilíbrio ou é eletricamente neutro, ou seja, não carrega uma carga positiva ou negativa.

Se um átomo perde um elétron, sua carga elétrica se torna positiva e, nesse caso, o próprio átomo se torna um íon positivo. Se um átomo se liga a um elétron estranho, é chamado de íon negativo.

A Figura 2 mostra um fragmento da tabela periódica. Vamos prestar atenção no retângulo em que o silício (Si) está localizado.

Figura 2. Fragmento da tabela periódica

No canto inferior direito, há uma coluna de números. Eles mostram como os elétrons são distribuídos pelas órbitas do átomo - o dígito inferior mais próximo do núcleo da órbita. Se você observar atentamente a Figura 1, podemos dizer com confiança que temos um átomo de silício com uma distribuição de elétrons de 2, 8, 4. A Figura 1 é volumosa, quase mostra que as órbitas dos elétrons são esféricas, mas, para um raciocínio mais aprofundado, podemos assumir que elas estão no mesmo plano e todos os elétrons correm ao longo da mesma trilha, como mostra a Figura 3.

Figura 3

Letras latinas na figura indicam a casca. Dependendo do número de elétrons em um átomo, seu número pode ser diferente, mas não mais que sete: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. Em cada órbita, ele pode um certo número de elétrons. Por exemplo, no último Q, existem 98, menos é possível, não mais. Na verdade, em termos de nossa história, essa distribuição pode ser ignorada: estamos interessados ​​apenas em elétrons localizados na órbita externa.

Certamente, de fato, todos os elétrons não giram no mesmo plano: mesmo dois elétrons que estão em uma órbita com o nome K giram em órbitas esféricas localizadas muito próximas. E o que podemos dizer sobre órbitas com níveis mais altos! Aí acontece ... Mas, para simplificar o raciocínio, assumimos que tudo acontece em um plano, como mostra a Figura 3.

Nesse caso, até a estrutura cristalina pode ser apresentada em uma forma plana, o que facilitará a compreensão do material, embora na verdade seja muito mais complicado. A grade plana é mostrada na Figura 4.

Figura 4

Os elétrons da camada externa são chamados de valência. São eles que são mostrados na figura (os elétrons restantes não importam para a nossa história).São eles que participam da união de átomos em moléculas e, ao criar diferentes substâncias, determinam suas propriedades.

São eles que podem romper com o átomo e vagar livremente e, se houver algumas condições, criar uma corrente elétrica. Além disso, é nas conchas externas que ocorrem os processos que resultam em transistores - dispositivos de amplificação de semicondutores.

Continuação do artigo: Transistores Parte 2. Condutores, isoladores e semicondutores.

Boris Aladyshkin