Transcript: Dioda varicap. Redresarea curentului alternativ. Tranzistorul cu efect de câmp.

În ceea de a treia lecție și ultima despre semiconductori vom prezenta câteva aplicații ale diodei și vom discuta despre tranzistor.
Există multe aplicații ale diodei. Prezentăm în această lecție doar două dintre ele.
Prima este așa numită diodă Varicap, care e o aplicație a diodei cu joncțiune polarizate invers,
în care zona izolatoare din jurul joncțiunii se va comporta ca un condensator cu capacitate variabilă.
Haideți să îi explicăm de ce.
După cum am explicat în lecția trecută, o diodă este formată din doi semiconductori, unul de tip P și unul de tip N,
care sunt puși în contact. Suprafața de contact se numește joncțiunea diodei.
Iarăși în lecția trecută am discutat că în jurul joncțiunii se va forma o zonă izolatoare,
din care au dispărut toate sarcinile electrice mobile, rămânând doar sarcinile electrice fixe,
care sunt ionii din nodule rețele.
În particular în semiconductorul de tip P vom avea ioni negativi, fixi,
iar în semiconductorul de tip N vom avea ioni pozitivi, fixi.
Această zonă are o anumită grosime, D, și bineînțeles va avea un anumit câmp electric,
din spre plus spre minus, de o anumită intensitate E.
Dacă vă uitați la descrierea și la proprietățile acestei zone de trecere a joncțiunii unui diode,
veți vedea că ele sunt identice cu cele ale unui condensator.
După cum vă amintiți, un condensator era format din două armături, două plăci conductoare,
conectate la o sursă de curent electric,
dar foarte important, între cele două armături aveam întotdeauna un izolator electric,
de un anumit tip și anume dielectric.
Deci aveam un izolator dielectric.
Izolatorul dielectric nu permite trecerea curentului electric,
dar este polarizabil și, deci, permite trecerea unui câmp electric.
Exact același lucru se întâmplă aici.
Avem un izolator între cele două suprafețe,
dar acest izolator are sarcini electrice, deci este polarizabil,
s-a polarizat și apare un câmp electric de o anumită intensitate e prin el.
Dacă conectăm dioda noastră la o sursă de curent electric
într-o polarizare inversă,
adică în care borna pozitivă este conectată la semiconductorul N
și borna negativă la semiconductorul P,
atunci obținem două lucruri.
În primul rând, în polarizare inversă ne asigurăm că joncțiunea se va comporta ca un izolator tot timpul,
aproape indiferent de valoarea tensiunii U
și, mai mult decât atât, grosimea ei D este proporțională cu U.
Deci, variind U, spre exemplu, crescând valoarea lui U,
obținem că grosimea stratului izolator crește
iar deoarece acest strat izolator se comportă ca un condensator,
capacitatea lui va fi egală cu εs împărțit la D.
Aceasta este formula capacității unui condensator plan.
εs, care este suprafața armăturilor, în cazul nostru, suprafața secțiunii transversale a diodei,
împărțit la D, care este grosimea acestei zone izolatoare.
Și deci, în concluzie, dacă creștem U, creștem D și atunci scădem capacitatea diodei.
În concluzie, o diodă cu joncțiune polarizată invers
poate fi folosită ca un condensator cu capacitate variabilă,
mai exact variabilă variată prin varierea atensiunii sursei la care este conectat.
O a doua aplicație a diodei cu joncțiune este redresarea curentului alternativ.
Deci să plecăm de la secundarul unui transformator.
Deci avem un transformator, acesta este primarul, foarte schematic,
și aceasta este bobina secundară.
Conectăm în partea superioară o diodă,
voi explica imediat acest simbol,
și la fel în partea inferioară o a doua diodă,
iar la mijloc conectăm o rezistență R.
Acesta este circuitul pe care îl luăm în considerare.
Dioda are acest simbol, un triunghi cu o linie,
este un simbol, o convenție,
în care triunghiul corespunde joncțiunii P
și linia corespunde joncțiunii N,
la fel sus și jos.
Motivul este foarte simplu,
în polarizare directă acesta este sensul
în care dioda permite trecerea curentului electric.
Deci dioda permite trecerea curentului electric în acest sens,
de aceea avem această formă desăgiată și bara.
Deci bara sugerează, sau linia sugerează,
faptul că curentul nu trece
dinspre N, ci numai dinspre P.
Și atunci, în acest circuit,
haideți să reprezentăm grafic
tensiunea curentului la bornele rezistenței,
care va fi rezistența ori intensitatea curentului
prin rezistență, ca funcție de timp.
Deci, bineînțeles, fiind curent alternativ,
vom avea o variație, o schimbare a polarizării
din secundar.
Deci pentru un anumit timp, și anume timpul
unei alternanțe pozitive,
vom avea o astfel de polarizare.
Și acum vedeți de ce am ales diodele în această combinație.
Pentru că în această polarizare secundarului,
plus sus și minus jos,
dioda de sus va fi polarizată direct
plus la P, minus la N,
pe când dioda de jos va fi polarizată invers,
minus la P, plus la N.
Asta înseamnă că vom avea curent
numai în circuitul de sus,
curent electric, I,
va circula numai în partea de sus.
În partea de jos, el fie îmblocat
de către dioda de jos.
Și deci, în această alternanță a curentului electric,
curentul prin rezistență va fi dat
de partea superioră.
Când se schimbă alternanța,
deci trecem în situația minus plus,
se schimbă situația și prin diode.
Și anume, dioda de sus va fi polarizată invers,
minus la P, plus la N,
dar cea de jos va fi polarizată direct.
Și atunci curentul va dispare din circuitul superior
și va apare în circuitul de jos.
Dar în această, și acum vine partea importantă,
în și în această alternanță,
prin dioda inferioară, în partea de jos,
alternanța este pozitivă.
Deci obținem numai alternanțe pozitive
ale curentului electric.
Deci trecem de la un curent de tip alternativ,
în care lobby pozitivi și negativi
alternează între ei,
la un curent în care obținem numai lobby pozitivi.
Tehnic vorbind, trecem de la un curent alternativ
la un curent pulsator.
În continuare, acest tip de circuit
se completează cu o serie de condensatoare
și alte elemente de circuit
pentru a nivela acest curent pulsatoriu
și în concluzie obținem ceva, un curent
ce seamănă foarte mult cu un curent continuu.
În această imagine vedeți
o astfel de punte de diode
ce se folosește pentru redresarea
curentului alternativ în curent continuu.
Haideți să trecem la transistorul cu efect de câmp,
care este în electronică
probabil cea mai mare invenție
din punct de vedere al consecinților practice.
În această schemă vedeți desenat
ideea de bază a unui astfel de transistor
cu efect de câmp în partea de jos.
Partea de sus este circuitul electric
în care el este conectat
pe care îl vom prezenta ulterior.
Deci deocamdată haideți să discutăm
despre transistor care este
format din următoarele componente.
Are o componentă semiconductoare
care este de tip P și N.
Apoi are un izolator,
deci această bandă albă este un izolator
și în fine are și un conductor numit grilă
care este această bandă albastru deschis.
Haideți să discutăm cum funcționează.
În primul rând, într-un transistor
conducția este de un singur tip.
În cazul acesta pe care l-am desena
nu este doar de tip N
deoarece conducția are loc
doar pe traseul sursă-canal-drenă.
Deci, sarcinile electrice
întotdeauna circulă pe acest traseu
pe care îl desenez eu.
În cazul acesta fiind electroni.
Deci, sarcinile electrice mobile în circuit
sunt doar pe acest traseu.
În cazul acesta electroni
se poate face și un transistor
în care sarcinile să fie pozitive.
Pur și simplu, substratul va fi de tip N
și sursa-canalul și drena vor fi de tip P
și atunci curentul electric trece tot pe același traseu
dar în sens invers.
Bun, atunci de ce mai avem
celelalte componente ale tranzistului?
Grila, izolator și substrat
din moment ce am spus că nu există
niciun curent electric
pe această direcție.
Răspunsul este foarte simplu.
Că folosim și anume
acela că folosim grila, izolatorul și substratul
pentru a genera un câmp electric
nu un curent electric, ci un câmp electric
pentru a modifica proprietățile
conducției electrice în direcția cealaltă.
Deci haideți să explicăm un pic.
În primul rând, prezența acestui izolator
se asigură, ne asigură
că nu avem niciun curent electric
în direcția verticală.
Grila, substrat.
Un izolator nu permite trecerea
curentului electric, adică a sarcinilor electrice mobile.
Dar un izolator permite trecerea
unui câmp electric.
Deci, datorită izolatorului
nu putem avea un curent electric,
dar putem avea un câmp electric.
Și atunci, bineînțeles, deoarece grila
care este un conductor
este legată la o sursă de curent,
ea se va încărca
și atunci grila și substratul P
vor genera acest câmp electric
perpendicular pe canalul transistorului.
Deci, în concluzie,
putem folosi câmpul electric
dintre grila și substrat
pentru a genera un câmp
de aceea numele de efect
de câmp al transistorului,
pentru a genera un câmp care să controleze
conducția de sarcini mobile prin canal.
După cum am spus,
izolatorul are funcțiunea
de a bloca orice curent,
dar de a lăsa să treacă un câmp electric.
Curentul prin transistor, în consecință,
e în principal dat de E.
Deci, sursa noastră principală e,
acesta fiind circuitul principal al transistorului,
pompează electroni sau goluri, dacă doriți,
prin canalul, drena și sursa de tip P.
Deci, sursa E asigură curentul electric principal.
Dar, și acesta este marel element
de noutate al unui transistor,
această sursă EG,
prin faptul că controlează
intensitatea câmpului electric
perpendicular pe conducție,
va controla și ea
intensitatea câmpului electric.
Deci, în consecință,
intensitatea curentului electric
este controlată atât prin E,
dar și prin EG.
Deci, dintr-o dată,
avem două elemente de control
asupra curentului electric
dintr-un circuit.
Și aceasta oferă o aplicabilitate
foarte largă a transistorului electric.
În practică, se folosește așa numită
tehnologie MOS
pentru construcția transistorelor.
MOS vine de la Metal Oxid Semiconductor.
Aceasta înseamnă că grila este
făcută dintr-un metal,
izolatorul este oxidul silicilui
din care este format semiconductorul
și, în practică, de fapt,
niciodată nu se aplică
sau nu se construiește un izolator,
ci pur și simplu se formează
partea semiconductoare
care este apoi lăsată să se oxideze
sau îi se induce o stare de oxidare.
Partea semiconductoare e făcută din siliciu,
după cum am discutat.
Oxidul de siliciu fiind un izolator foarte bun,
deci un semiconductor un pic oxidat
va fi și un semiconductor izolat,
peste care se aplică apoi un film conductor
care va forma grila.
Aceasta este tehnologia prin care se construiește
un astfel de tranzistor de tip MOS.
În microelectronică,
aplicațiile tranzistoarelor sunt foarte multe,
deci toate componentele importante
din calculatorul dumneavoastră,
laptop, desktop, tabletă
sau ce alt tip de calculator aveți
și multe alte chipuri folosite în microelectronică
au la bază tranzistor.
De fapt, sunt o colecție imensă de tranzistoare.
Asta deoarece, la ora actuală,
se pot construi tranzistoare
cu dimensiunea de ordinul 35 nanometri.
Chipurile, CPU-urile Intel,
la ora actuală,
folosesc o tehnologie cu tranzistoare de 35 nanometri.
Asta înseamnă că un tranzistor
din CPU-ul desktop-ului dumneavoastră
are dimensiunea tipică
de ordinul 35 ori 10 la minus 6 milimetri.
Asta înseamnă că este format din câțiva atomii,
deci un tranzistor e format
din ceva de ordinul a 200 de atomi,
care intră în compoziția,
în structura unui astfel de tranzistor,
deci tranzistori foarte, foarte mici,
motiv din care, într-un CPU,
putem pune colecții de ordinul
a milioanelor de tranzistoare,
ceea ce dă puterea de calcul
a procesoarelor actuale,
fie ele procesoare centrale
sau procesoare grafice
sau memorii RAM și așa mai departe.
În această imagine,
vedeți un procesor, CPU,
din care s-a înlăturat o parte
din carcasa protectoare din plastic
și puteți vedea aceste microchipuri
la rândul lor formate
din zeci de mii de tranzistoare.