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.