Germaniové tranzistory si užívaly svůj rozkvět během prvního desetiletí polovodičové elektroniky, než byly široce nahrazeny mikrovlnnými křemíkovými zařízeními. V tomto článku probereme, proč je první typ tranzistorů stále považován za důležitý prvek v hudebním průmyslu a má velký význam pro znalce dobrého zvuku.
Zrození prvku
Germanium objevili Clemens a Winkler v německém městě Freiberg v roce 1886. Existenci tohoto prvku předpověděl Mendělejev, když předem stanovil jeho atomovou hmotnost rovnou 71 a hustotu 5,5 g/cm3.
Na začátku podzimu roku 1885 narazil horník pracující ve stříbrném dole Himmelsfürst poblíž Freibergu na neobvyklou rudu. Dostal ho Albin Weisbach z nedaleké Báňské akademie, který potvrdil, že jde o nový minerál. Ten na oplátku požádal svého kolegu Winklera, aby analyzoval extrakci. Winkler to zjistilnalezeného chemického prvku je 75 % stříbra, 18 % síry, složení zbývajících 7 % objemu nálezu se vědci nepodařilo určit.
V únoru 1886 si uvědomil, že se jedná o nový prvek podobný kovu. Když byly testovány jeho vlastnosti, vyšlo najevo, že jde o chybějící prvek v periodické tabulce, který se nachází pod křemíkem. Minerál, ze kterého pochází, je známý jako argyrodit - Ag 8 GeS 6. Za pár desetiletí bude tento prvek tvořit základ germaniových tranzistorů pro zvuk.
Germanium
Na konci 19. století germanium poprvé izoloval a identifikoval německý chemik Clemens Winkler. Tento materiál, pojmenovaný po Winklerově domovině, byl dlouho považován za kov s nízkou vodivostí. Toto prohlášení bylo revidováno během druhé světové války, protože tehdy byly objeveny polovodičové vlastnosti germania. Zařízení sestávající z germania se rozšířila v poválečných letech. V této době bylo nutné uspokojit potřebu výroby germaniových tranzistorů a podobných zařízení. Produkce germania tak ve Spojených státech vzrostla z několika set kilogramů v roce 1946 na 45 tun do roku 1960.
Kronika
Historie tranzistorů začíná v roce 1947 v Bell Laboratories se sídlem v New Jersey. Na procesu se podíleli tři brilantní američtí fyzici: John Bardeen (1908-1991), W alter Brattain (1902-1987) a William Shockley (1910-1989).
Tým vedený Shockleym se pokusil vyvinout nový typ zesilovače proAmerický telefonní systém, ale to, co ve skutečnosti vynalezli, se ukázalo být mnohem zajímavější.
Bardeen a Brattain postavili první tranzistor v úterý 16. prosince 1947. Je známý jako bodový kontaktní tranzistor. Shockley na projektu tvrdě pracoval, takže není žádným překvapením, že byl rozrušený a naštvaný, že byl odmítnut. Brzy sám vytvořil teorii přechodového tranzistoru. Toto zařízení je v mnoha ohledech lepší než tranzistor s bodovým kontaktem.
Zrození nového světa
Zatímco Bardeen opustil Bell Labs, aby se stal akademikem (pokračoval ve studiu germaniových tranzistorů a supravodičů na University of Illinois), Brattain chvíli pracoval, než se dal na výuku. Shockley založil vlastní společnost na výrobu tranzistorů a vytvořil jedinečné místo - Silicon Valley. Toto je prosperující oblast v Kalifornii kolem Palo Alto, kde sídlí velké elektronické korporace. Dva z jeho zaměstnanců, Robert Noyce a Gordon Moore, založili Intel, největšího světového výrobce čipů.
Bardeen, Brattain a Shockley se krátce sešli v roce 1956, kdy za svůj objev obdrželi nejvyšší světové vědecké ocenění, Nobelovu cenu za fyziku.
Patentový zákon
Původní design tranzistoru s bodovým kontaktem je popsán v patentu USA, který v červnu 1948 (asi šest měsíců po původním objevu) podali John Bardeen a W alter Brattain. Patent vydán 3. října 1950roku. Jednoduchý PN tranzistor měl tenkou vrchní vrstvu z germania typu P (žlutá) a spodní vrstvu z germania typu N (oranžová). Germaniové tranzistory měly tři kolíky: emitor (E, červený), kolektor (C, modrý) a základnu (G, zelený).
Zjednodušeně řečeno
Princip činnosti tranzistorového zesilovače zvuku bude jasnější, když nakreslíme analogii s principem činnosti vodovodního kohoutku: emitor je potrubí a kolektor je kohoutek. Toto srovnání pomáhá vysvětlit, jak tranzistor funguje.
Představme si, že tranzistor je vodovodní kohoutek. Elektrický proud působí jako voda. Tranzistor má tři vývody: bázi, kolektor a emitor. Základna funguje jako rukojeť kohoutku, kolektor funguje jako voda stékající do kohoutku a emitor funguje jako otvor, ze kterého vytéká voda. Mírným otočením rukojeti kohoutku můžete ovládat silný proud vody. Pokud mírně otočíte rukojetí kohoutku, průtok vody se výrazně zvýší. Pokud je rukojeť kohoutku zcela zavřená, voda nepoteče. Pokud otočíte knoflíkem až na doraz, voda poteče mnohem rychleji.
Princip fungování
Jak již bylo zmíněno dříve, germaniové tranzistory jsou obvody, které jsou založeny na třech kontaktech: emitor (E), kolektor (C) a báze (B). Báze řídí proud z kolektoru do emitoru. Proud, který teče z kolektoru do emitoru, je úměrný proudu báze. Proud emitoru nebo proudu báze se rovná hFE. Toto nastavení používá kolektorový odpor (RI). Protéká-li proud IcRI, bude na tomto rezistoru generováno napětí, které se rovná součinu Ic x RI. To znamená, že napětí na tranzistoru je: E2 - (RI x Ic). Ic je přibližně rovno Ie, takže pokud IE=hFE x IB, pak Ic je také rovno hFE x IB. Proto je po výměně napětí na tranzistorech (E) E2 (RI x le x hFE).
Funkce
Tranzistorový audio zesilovač je postaven na funkcích zesílení a přepínání. Vezmeme-li jako příklad rádio, signály, které rádio přijímá z atmosféry, jsou extrémně slabé. Rádio tyto signály zesiluje přes reproduktorový výstup. Toto je funkce "boost". Takže například germaniový tranzistor gt806 je určen pro použití v pulzních zařízeních, měničích a stabilizátorech proudu a napětí.
U analogového rádia stačí zesílit signál a reproduktory budou vydávat zvuk. U digitálních zařízení je však nutné změnit vstupní tvar vlny. U digitálního zařízení, jako je počítač nebo MP3 přehrávač, musí tranzistor přepnout stav signálu na 0 nebo 1. Toto je "spínací funkce"
Můžete najít složitější součástky zvané tranzistory. Hovoříme o integrovaných obvodech vyrobených z infiltrace tekutého křemíku.
Sovětské Silicon Valley
V sovětských dobách, na počátku 60. let, se město Zelenograd stalo odrazovým můstkem pro organizaci Centra mikroelektroniky v něm. Sovětský inženýr Shchigol F. A. vyvíjí tranzistor 2T312 a jeho analog 2T319, který se později stalhlavní součást hybridních obvodů. Byl to tento muž, kdo položil základ pro výrobu germaniových tranzistorů v SSSR.
V roce 1964 závod Angstrem na základě Výzkumného ústavu přesných technologií vytvořil první integrovaný obvod IC-Path s 20 prvky na čipu, který plní úlohu kombinace tranzistorů s odporovými spoji. Ve stejné době se objevila další technologie: byly uvedeny na trh první ploché tranzistory „Plane“.
V roce 1966 začala ve Výzkumném ústavu Pulsar fungovat první experimentální stanice na výrobu plochých integrovaných obvodů. V NIIME začala skupina Dr. Valiejeva vyrábět lineární rezistory s logickými integrovanými obvody.
V roce 1968 vyrobil Pulsar Research Institute první díl tenkovrstvých plochých tranzistorových hybridních integrovaných obvodů KD910, KD911, KT318 s otevřeným rámem, které jsou určeny pro komunikaci, televizi a rozhlasové vysílání.
Lineární tranzistory s hromadně využívanými digitálními integrovanými obvody (typ 155) byly vyvinuty ve Výzkumném ústavu DOE. V roce 1969 sovětský fyzik Zh. I. Alferov objevil světu teorii řízení toků elektronů a světla v heterostrukturách založených na systému arsenidu galia.
Minulost versus budoucnost
První sériové tranzistory byly založeny na germaniu. Germanium typu P a N byly spojeny dohromady a vytvořily přechodový tranzistor.
Americká společnost Fairchild Semiconductor vynalezla planární proces v 60. letech 20. století. Zde na výrobu tranzistorů skřemík a fotolitografie byly použity pro zlepšenou reprodukovatelnost v průmyslovém měřítku. To vedlo k myšlence integrovaných obvodů.
Významné rozdíly mezi germaniovými a křemíkovými tranzistory jsou následující:
- křemíkové tranzistory jsou mnohem levnější;
- křemíkový tranzistor má prahové napětí 0,7V, zatímco germanium má prahové napětí 0,3V;
- křemík odolává teplotám kolem 200°C, germanium 85°C;
- svodový proud křemíku se měří v nA, pro germanium v mA;
- PIV Si je větší než Ge;
- Ge dokáže detekovat malé změny v signálech, a proto se jedná o nejvíce „hudební“tranzistory díky své vysoké citlivosti.
Audio
Abyste získali vysoce kvalitní zvuk na analogovém audio zařízení, musíte se rozhodnout. Co si vybrat: moderní integrované obvody (IC) nebo ULF na germaniových tranzistorech?
V počátcích tranzistorů se vědci a inženýři dohadovali o materiálu, který bude základem těchto zařízení. Mezi prvky periodické tabulky jsou některé vodiče, jiné izolanty. Některé prvky ale mají zajímavou vlastnost, která jim umožňuje nazývat se polovodiče. Křemík je polovodič a používá se téměř ve všech dnes vyráběných tranzistorech a integrovaných obvodech.
Předtím, než byl křemík použit jako vhodný materiál pro výrobu tranzistoru, byl nahrazen germaniem. Výhoda křemíku oproti germaniu byla způsobena především vyšším ziskem, kterého bylo možné dosáhnout.
Přestože germaniové tranzistory od různých výrobců mají často navzájem odlišné vlastnosti, některé typy jsou považovány za zdroje teplého, bohatého a dynamického zvuku. Zvuky se mohou pohybovat od křupavých a nerovnoměrných až po tlumené a ploché s mezi. Takový tranzistor si nepochybně zaslouží další studium jako zesilovací zařízení.
Rada pro postup
Nakupování rádiových komponentů je proces, ve kterém můžete najít vše, co ke své práci potřebujete. Co říkají odborníci?
Podle mnoha radioamatérů a znalců vysoce kvalitního zvuku jsou řady P605, KT602, KT908 uznávány jako nejhudební tranzistory.
Pro stabilizátory je lepší použít řadu AD148, AD162 od Siemens, Philips, Telefunken.
Soudě podle recenzí nejvýkonnější z germaniových tranzistorů - GT806, vítězí ve srovnání s řadou P605, ale pokud jde o frekvenci zabarvení, je lepší dát přednost druhému. Za pozornost stojí typ KT851 a KT850 a také tranzistor s efektem pole KP904.
Typy P210 a ASY21 se nedoporučují, protože ve skutečnosti mají špatné zvukové vlastnosti.
Kytary
Přestože různé značky germaniových tranzistorů mají různé vlastnosti, všechny lze použít k vytvoření dynamického, bohatšího a příjemnějšího zvuku. Mohou pomoci změnit zvuk kytaryv široké škále tónů, včetně intenzivních, tlumených, drsných, hladších nebo jejich kombinací. V některých zařízeních jsou široce používány, aby kytarové hudbě dodaly skvělou hru, extrémně hmatatelný a měkký zvuk.
Jaká je hlavní nevýhoda germaniových tranzistorů? Samozřejmě jejich nepředvídatelné chování. Podle odborníků bude nutné provést grandiózní nákup rádiových součástek, tedy pořídit stovky tranzistorů, abychom po opakovaném testování našli ten pravý pro vás. Tento nedostatek zjistil studiový inženýr a hudebník Zachary Vex při hledání bloků historických zvukových efektů.
Vex začal vytvářet kytarové efektové jednotky Fuzz, aby kytarová hudba zněla jasněji tím, že smíchala původní jednotky Fuzz v určitých poměrech. Použil tyto tranzistory bez testování jejich potenciálu k získání nejlepší kombinace, spoléhal pouze na štěstí. Nakonec byl nucen opustit některé tranzistory kvůli jejich nevhodnému zvuku a začal ve své továrně vyrábět dobré Fuzz bloky s germaniovými tranzistory.
