Germanijevi tranzistorji so uživali v svojem vrhuncu v prvem desetletju polprevodniške elektronike, preden so jih v veliki meri nadomestile mikrovalovne silikonske naprave. V tem članku bomo razpravljali o tem, zakaj prva vrsta tranzistorjev še vedno velja za pomemben element v glasbeni industriji in je zelo pomembna za poznavalce dobrega zvoka.
Rojstvo elementa
Germanium sta leta 1886 odkrila Clemens in Winkler v nemškem mestu Freiberg. Obstoj tega elementa je predvidel Mendelejev, saj je vnaprej določil njegovo atomsko težo na 71 in gostoto 5,5 g/cm3.
V zgodnji jeseni 1885 je rudar, ki je delal v rudniku srebra Himmelsfürst blizu Freiberga, naletel na nenavadno rudo. Dobil ga je Albin Weisbach z bližnje rudarske akademije, ki je potrdil, da gre za nov mineral. On pa je svojega kolega Winklerja prosil, naj analizira ekstrakcijo. Winkler je to odkrilnajdenega kemičnega elementa je 75 % srebra, 18 % žvepla, znanstvenik ni mogel določiti sestave preostalih 7 % volumna najdbe.
Do februarja 1886 je spoznal, da je to nov kovinski element. Ko so preizkusili njegove lastnosti, je postalo jasno, da gre za manjkajoči element v periodnem sistemu, ki se nahaja pod silicijem. Mineral, iz katerega izvira, je znan kot argirodit - Ag 8 GeS 6. V nekaj desetletjih bo ta element tvoril osnovo germanijevih tranzistorjev za zvok.
Nemčija
Ob koncu 19. stoletja je germanij prvič izoliral in identificiral nemški kemik Clemens Winkler. Ta material, poimenovan po Winklerjevi domovini, je dolgo veljal za kovino z nizko prevodnostjo. Ta izjava je bila revidirana med drugo svetovno vojno, saj so bile takrat odkrite polprevodniške lastnosti germanija. Naprave, sestavljene iz germanija, so postale razširjene v povojnih letih. V tem času je bilo treba zadovoljiti potrebe po proizvodnji germanijevih tranzistorjev in podobnih naprav. Tako je proizvodnja germanija v ZDA narasla z nekaj sto kilogramov leta 1946 na 45 ton do leta 1960.
Kronika
Zgodovina tranzistorjev se začne leta 1947 z Bell Laboratories, ki se nahajajo v New Jerseyju. V procesu so sodelovali trije sijajni ameriški fiziki: John Bardeen (1908-1991), W alter Brattain (1902-1987) in William Shockley (1910-1989).
Ekipa pod vodstvom Shockleyja je poskušala razviti nov tip ojačevalnika zaAmeriški telefonski sistem, toda tisto, kar so dejansko izumili, se je izkazalo za veliko bolj zanimivo.
Bardeen in Brattain sta prvi tranzistor zgradila v torek, 16. decembra 1947. Znan je kot točkovni kontaktni tranzistor. Shockley je trdo delal na projektu, zato ne preseneča, da je bil vznemirjen in jezen, ker so ga zavrnili. Kmalu je sam oblikoval teorijo stičnega tranzistorja. Ta naprava je v mnogih pogledih boljša od tranzistorja s točkovnim kontaktom.
Rojstvo novega sveta
Medtem ko je Bardeen zapustil Bell Labs, da bi postal akademik (nadaljeval je študiral germanijeve tranzistorje in superprevodnike na Univerzi v Illinoisu), je Brattain nekaj časa delal, preden je začel poučevati. Shockley je ustanovil lastno podjetje za proizvodnjo tranzistorjev in ustvaril edinstven kraj - Silicijevo dolino. To je uspešno območje v Kaliforniji okoli Palo Alta, kjer se nahajajo velike korporacije za elektroniko. Dva njegova zaposlena, Robert Noyce in Gordon Moore, sta ustanovila Intel, največjega proizvajalca čipov na svetu.
Bardeen, Brattain in Shockley so se na kratko ponovno združili leta 1956, ko so za svoje odkritje prejeli najvišjo svetovno znanstveno nagrado, Nobelovo nagrado za fiziko.
patentna zakonodaja
Izvirna zasnova tranzistorja s točkovnim kontaktom je opisana v patentu ZDA, ki sta ga vložila John Bardeen in W alter Brattain junija 1948 (približno šest mesecev po prvotnem odkritju). Patent izdan 3. oktobra 1950leta. Preprost PN tranzistor je imel tanko zgornjo plast germanija tipa P (rumena) in spodnjo plast germanija tipa N (oranžna). Germanijevi tranzistorji so imeli tri nožice: emiter (E, rdeča), kolektor (C, modra) in bazo (G, zelena).
Preprosto rečeno
Načelo delovanja tranzistorskega ojačevalnika zvoka bo postalo jasnejše, če potegnemo analogijo z načelom delovanja vodne pipe: oddajnik je cevovod, kolektor pa pipa. Ta primerjava pomaga razložiti, kako deluje tranzistor.
Predstavljajmo si, da je tranzistor vodna pipa. Električni tok deluje kot voda. Tranzistor ima tri terminale: bazo, kolektor in emiter. Podstavek deluje kot ročaj za pipo, kolektor deluje kot voda, ki teče v pipo, oddajnik pa kot luknja, iz katere izteka voda. Z rahlim obračanjem ročaja pipe lahko nadzorujete močan pretok vode. Če rahlo obrnete ročico pipe, se bo pretok vode znatno povečal. Če je ročaj pipe popolnoma zaprt, voda ne teče. Če zavrtite gumb do konca, bo voda tekla veliko hitreje.
Načelo delovanja
Kot že omenjeno, so germanijevi tranzistorji vezja, ki temeljijo na treh kontaktih: emiter (E), kolektor (C) in baza (B). Baza krmili tok od kolektorja do oddajnika. Tok, ki teče od kolektorja do oddajnika, je sorazmeren z baznim tokom. Emiterski tok ali osnovni tok je enak hFE. Ta nastavitev uporablja kolektorski upor (RI). Če tok Ic teče skoziRI, se bo na tem uporu ustvarila napetost, ki je enaka produktu Ic x RI. To pomeni, da je napetost na tranzistorju: E2 - (RI x Ic). Ic je približno enak Ie, torej če je IE=hFE x IB, potem je Ic enak tudi hFE x IB. Zato je po zamenjavi napetost na tranzistorjih (E) E2 (RI x le x hFE).
Funkcije
Tranzistorski avdio ojačevalnik je zgrajen na ojačevalnih in preklopnih funkcijah. Če vzamemo radio kot primer, so signali, ki jih radio sprejema iz ozračja, izjemno šibki. Radio ojača te signale prek izhoda zvočnika. To je funkcija "pospeševanja". Tako je na primer germanijev tranzistor gt806 namenjen uporabi v impulznih napravah, pretvornikih ter tokovnih in napetostnih stabilizatorjih.
Pri analognem radiu preprosto ojačanje signala povzroči, da zvočniki oddajajo zvok. Za digitalne naprave pa je treba spremeniti vhodno valovno obliko. Za digitalno napravo, kot je računalnik ali MP3 predvajalnik, mora tranzistor preklopiti stanje signala na 0 ali 1. To je "funkcija preklopa"
Najdete lahko bolj zapletene komponente, imenovane tranzistorji. Govorimo o integriranih vezjih iz infiltracije tekočega silicija.
Sovjetska silicijeva dolina
V sovjetskih časih, v zgodnjih 60. letih, je mesto Zelenograd postalo odskočna deska za organizacijo Centra za mikroelektronike v njem. Sovjetski inženir Shchigol F. A. razvija tranzistor 2T312 in njegov analog 2T319, ki je kasneje postalglavna komponenta hibridnih vezij. Prav ta človek je postavil temelje za proizvodnjo germanijevih tranzistorjev v ZSSR.
Leta 1964 je tovarna Angstrem na podlagi Raziskovalnega inštituta za precizne tehnologije ustvarila prvo integrirano vezje IC-Path z 20 elementi na čipu, ki opravlja nalogo kombinacije tranzistorjev z uporovnimi povezavami.. Hkrati se je pojavila še ena tehnologija: lansirani so bili prvi ploščati tranzistorji "Plane".
Leta 1966 je na raziskovalnem inštitutu Pulsar začela delovati prva eksperimentalna postaja za proizvodnjo ploščatih integriranih vezij. Na NIIME je skupina dr. Valieva začela proizvajati linearne upore z logičnimi integriranimi vezji.
Leta 1968 je raziskovalni inštitut Pulsar izdelal prvi del KD910, KD911, KT318 tankoslojnih odprtih hibridnih IC s ploščatimi tranzistorji, ki so zasnovane za komunikacijo, televizijo, radijsko oddajanje.
Linearni tranzistorji z digitalnimi IC za množično uporabo (tip 155) so bili razviti na raziskovalnem inštitutu DOE. Leta 1969 je sovjetski fizik Zh. I. Alferov svetu odkril teorijo nadzora elektronskih in svetlobnih tokov v heterostrukturah, ki temelji na sistemu galijevega arzenida.
Preteklost proti prihodnosti
Prvi serijski tranzistorji so temeljili na germaniju. Germanij tipa P in N sta bila povezana skupaj, da sta tvorila spojni tranzistor.
Ameriško podjetje Fairchild Semiconductor je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja izumilo planarni proces. Tukaj za proizvodnjo tranzistorjev zsilicij in fotolitografija sta bili uporabljeni za izboljšano ponovljivost v industrijskem obsegu. To je privedlo do ideje o integriranih vezjih.
Pomembne razlike med germanijevim in silicijevim tranzistorjem so naslednje:
- silicijevi tranzistorji so veliko cenejši;
- silicijev tranzistor ima mejno napetost 0,7V, medtem ko ima germanij mejno napetost 0,3V;
- silicij zdrži temperature okoli 200°C, germanij 85°C;
- tok uhajanja silicija se meri v nA, za germanij v mA;
- PIV Si je večji od Ge;
- Ge lahko zazna majhne spremembe v signalih, zato so zaradi svoje visoke občutljivosti najbolj "glasbeni" tranzistorji.
Avdio
Če želite dobiti visokokakovosten zvok na analogni avdio opremi, se morate odločiti. Kaj izbrati: sodobna integrirana vezja (IC) ali ULF na germanijevih tranzistorjih?
V zgodnjih dneh tranzistorjev so se znanstveniki in inženirji prepirali glede materiala, ki bi bil osnova naprav. Med elementi periodnega sistema so nekateri vodniki, drugi so izolatorji. Toda nekateri elementi imajo zanimivo lastnost, ki jim omogoča, da jih imenujemo polprevodniki. Silicij je polprevodnik in se uporablja v skoraj vseh tranzistorjih in integriranih vezjih, ki se proizvajajo danes.
Toda preden je bil silicij uporabljen kot primeren material za izdelavo tranzistorja, ga je nadomestil germanij. Prednost silicija pred germanijem je bila predvsem posledica večjega dobička, ki ga je bilo mogoče doseči.
Čeprav imajo germanijevi tranzistorji različnih proizvajalcev pogosto različne lastnosti, se za nekatere vrste šteje, da proizvajajo topel, bogat in dinamičen zvok. Zvoki se lahko gibljejo od hrustljavih in neenakomernih do pridušenih in ravnih z vmesnimi. Nedvomno si tak tranzistor zasluži nadaljnjo študijo kot ojačevalno napravo.
Nasvet za ukrepanje
Nakup radijskih komponent je proces, v katerem lahko najdete vse, kar potrebujete za svoje delo. Kaj pravijo strokovnjaki?
Po mnenju mnogih radijskih amaterjev in poznavalcev visokokakovostnega zvoka so serije P605, KT602, KT908 priznane kot najbolj glasbeni tranzistorji.
Za stabilizatorje je bolje uporabiti serije AD148, AD162 Siemens, Philips, Telefunken.
Sodeč po ocenah, najmočnejši od germanijevih tranzistorjev - GT806, zmaga v primerjavi s serijo P605, vendar je glede frekvence zvoka bolje dati prednost slednjemu. Vredno je biti pozoren na tip KT851 in KT850, pa tudi na tranzistor s poljskim učinkom KP904.
P210 in ASY21 vrste nista priporočljiva, ker imajo dejansko slabe zvočne lastnosti.
kitare
Čeprav imajo različne znamke germanijevih tranzistorjev različne značilnosti, jih je mogoče vse uporabiti za ustvarjanje dinamičnega, bogatejšega in prijetnejšega zvoka. Pomagajo lahko spremeniti zvok kitarev širokem razponu tonov, vključno z intenzivnimi, utišanimi, ostrimi, bolj gladkimi ali kombinacijo teh. V nekaterih napravah se pogosto uporabljajo za odlično igranje kitarske glasbe, izjemno oprijemljiv in mehak zvok.
Kaj je glavna pomanjkljivost germanijevih tranzistorjev? Seveda njihovo nepredvidljivo vedenje. Po mnenju strokovnjakov bo treba opraviti veličasten nakup radijskih komponent, torej kupiti na stotine tranzistorjev, da bi po večkratnem testiranju našli pravega zase. To pomanjkljivost je ugotovil studijski inženir in glasbenik Zachary Vex, ko je iskal starinske bloke zvočnih učinkov.
Vex je začel ustvarjati enote za efekte za kitaro Fuzz, da bi kitarska glasba zvenela jasneje z mešanjem originalnih enot Fuzz v določenih razmerjih. Uporabil je te tranzistorje, ne da bi preizkusil njihov potencial, da bi dobil najboljšo kombinacijo, pri čemer se je zanašal izključno na srečo. Na koncu je bil zaradi neprimernega zvoka prisiljen opustiti nekatere tranzistorje in v svoji tovarni začel izdelovati dobre Fuzz bloke z germanijevimi tranzistorji.
