Tranzystory germanowe przeżywały swój rozkwit w pierwszej dekadzie elektroniki półprzewodnikowej, zanim zostały szeroko zastąpione przez mikrofalowe urządzenia krzemowe. W tym artykule omówimy, dlaczego pierwszy typ tranzystorów jest nadal uważany za ważny element w przemyśle muzycznym i ma duże znaczenie dla koneserów dobrego dźwięku.
Narodziny żywiołu
Germanium zostało odkryte przez Clemensa i Winklera w niemieckim mieście Freiberg w 1886 roku. Istnienie tego pierwiastka przewidział Mendelejew, ustalając z góry jego masę atomową równą 71 i gęstość 5,5 g/cm3.
Wczesną jesienią 1885 roku górnik pracujący w kopalni srebra Himmelsfürst niedaleko Freiberga natknął się na niezwykłą rudę. Podarowano go Albinowi Weisbachowi z pobliskiej Akademii Górniczej, który potwierdził, że jest to nowy minerał. On z kolei poprosił swojego kolegę Winklera o analizę wydobycia. Winkler odkrył, żeznalezionego pierwiastka chemicznego to 75% srebra, 18% siarki, naukowiec nie był w stanie określić składu pozostałych 7% objętości znaleziska.
Do lutego 1886 zdał sobie sprawę, że jest to nowy metalopodobny element. Kiedy przetestowano jego właściwości, stało się jasne, że jest to brakujący pierwiastek w układzie okresowym, który znajduje się pod krzemem. Minerał, z którego się wywodzi, znany jest jako argyrodyt – Ag 8 GeS 6. Za kilkadziesiąt lat pierwiastek ten będzie stanowił podstawę tranzystorów germanowych do odtwarzania dźwięku.
German
Pod koniec XIX wieku german został po raz pierwszy wyizolowany i zidentyfikowany przez niemieckiego chemika Clemensa Winklera. Ten materiał, nazwany na cześć ojczyzny Winklera, od dawna uważany jest za metal o niskiej przewodności. Stwierdzenie to zostało zrewidowane podczas II wojny światowej, ponieważ wtedy odkryto półprzewodnikowe właściwości germanu. Urządzenia składające się z germanu rozpowszechniły się w latach powojennych. W tym czasie konieczne było zaspokojenie zapotrzebowania na produkcję tranzystorów germanowych i podobnych urządzeń. W ten sposób produkcja germanu w Stanach Zjednoczonych wzrosła z kilkuset kilogramów w 1946 r. do 45 ton w 1960 r.
Kronika
Historia tranzystorów zaczyna się w 1947 roku w Bell Laboratories w New Jersey. W procesie tym brało udział trzech wybitnych amerykańskich fizyków: John Bardeen (1908-1991), W alter Brattain (1902-1987) i William Shockley (1910-1989).
Zespół kierowany przez Shockleya próbował opracować nowy typ wzmacniacza dlaAmerykański system telefoniczny, ale to, co faktycznie wymyślili, okazało się o wiele ciekawsze.
Bardeen i Brattain zbudowali pierwszy tranzystor we wtorek, 16 grudnia 1947 r. Jest znany jako tranzystor kontaktowy. Shockley ciężko pracował nad projektem, więc nic dziwnego, że był zdenerwowany i zły, że został odrzucony. Wkrótce samodzielnie stworzył teorię tranzystora złączowego. To urządzenie przewyższa pod wieloma względami tranzystor punktowy.
Narodziny nowego świata
Podczas gdy Bardeen opuścił Bell Labs, aby zostać naukowcem (następnie studiował tranzystory i nadprzewodniki germanowe na Uniwersytecie Illinois), Brattain pracował przez chwilę, zanim przeszedł do nauczania. Shockley założył własną firmę produkującą tranzystory i stworzył wyjątkowe miejsce - Dolinę Krzemową. Jest to dobrze prosperujący obszar w Kalifornii, wokół Palo Alto, gdzie znajdują się największe koncerny elektroniczne. Dwóch jego pracowników, Robert Noyce i Gordon Moore, założyło firmę Intel, największego na świecie producenta chipów.
Bardeen, Brattain i Shockley na krótko ponownie spotkali się w 1956 roku, kiedy otrzymali najwyższą na świecie nagrodę naukową, Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, za swoje odkrycie.
Prawo patentowe
Oryginalna konstrukcja tranzystora punktowego została opisana w amerykańskim patencie złożonym przez Johna Bardeena i W altera Brattaina w czerwcu 1948 (około sześć miesięcy po pierwotnym odkryciu). Patent wydany 3 października 1950roku. Prosty tranzystor PN miał cienką górną warstwę germanu typu P (żółty) i dolną warstwę germanu typu N (pomarańczowy). Tranzystory germanowe miały trzy piny: emiter (E, czerwony), kolektor (C, niebieski) i bazę (G, zielony).
W prostych słowach
Zasada działania tranzystorowego wzmacniacza dźwięku stanie się jaśniejsza, jeśli narysujemy analogię z zasadą działania kranu: emiter to rurociąg, a kolektor to kran. To porównanie pomaga wyjaśnić, jak działa tranzystor.
Wyobraźmy sobie, że tranzystor to kran z wodą. Prąd elektryczny działa jak woda. Tranzystor ma trzy zaciski: bazę, kolektor i emiter. Podstawa działa jak rączka kranu, kolektor działa jak woda spływająca do kranu, a emiter działa jak otwór, z którego wypływa woda. Lekko obracając uchwyt kranu, możesz kontrolować silny przepływ wody. Jeśli lekko przekręcisz uchwyt kranu, natężenie przepływu wody znacznie wzrośnie. Jeśli uchwyt kranu jest całkowicie zamknięty, woda nie będzie płynąć. Jeśli przekręcisz pokrętło do końca, woda będzie płynąć znacznie szybciej.
Zasada działania
Jak wspomniano wcześniej, tranzystory germanowe to układy oparte na trzech stykach: emiter (E), kolektor (C) i baza (B). Podstawa kontroluje prąd od kolektora do emitera. Prąd płynący z kolektora do emitera jest proporcjonalny do prądu bazy. Prąd emitera lub prąd bazowy jest równy hFE. Ta konfiguracja wykorzystuje rezystor kolektora (RI). Jeśli przepływa prąd IcRI, na tym rezystorze zostanie wygenerowane napięcie, które jest równe iloczynowi Ic x RI. Oznacza to, że napięcie na tranzystorze wynosi: E2 - (RI x Ic). Ic jest w przybliżeniu równe Ie, więc jeśli IE=hFE x IB, to Ic jest również równe hFE x IB. Dlatego po wymianie napięcie na tranzystorach (E) wynosi E2 (RI x le x hFE).
Funkcje
Tranzystorowy wzmacniacz audio jest zbudowany w oparciu o funkcje wzmacniania i przełączania. Biorąc za przykład radio, sygnały, które radio odbiera z atmosfery, są niezwykle słabe. Radio wzmacnia te sygnały poprzez wyjście głośnikowe. To jest funkcja „doładowania”. Na przykład tranzystor germanowy gt806 jest przeznaczony do stosowania w urządzeniach impulsowych, przetwornikach oraz stabilizatorach prądu i napięcia.
W przypadku radia analogowego proste wzmocnienie sygnału spowoduje, że głośniki wygenerują dźwięk. Jednak w przypadku urządzeń cyfrowych należy zmienić kształt fali wejściowej. W przypadku urządzenia cyfrowego, takiego jak komputer lub odtwarzacz MP3, tranzystor musi przełączyć stan sygnału na 0 lub 1. Jest to „funkcja przełączania”
Można znaleźć bardziej złożone komponenty zwane tranzystorami. Mowa o układach scalonych wykonanych z infiltracji płynnego krzemu.
Radziecka Dolina Krzemowa
W czasach sowieckich, na początku lat 60., miasto Zelenograd stało się trampoliną do zorganizowania w nim Centrum Mikroelektroniki. Radziecki inżynier Shchigol F. A. opracowuje tranzystor 2T312 i jego analog 2T319, który później stał sięgłówny składnik obwodów hybrydowych. To właśnie ten człowiek położył podwaliny pod produkcję tranzystorów germanowych w ZSRR.
W 1964 roku fabryka Angstrem, na podstawie Instytutu Badawczego Technologii Precyzyjnych, stworzyła pierwszy układ scalony IC-Path z 20 elementami na chipie, który realizuje zadanie połączenia tranzystorów z połączeniami rezystancyjnymi. W tym samym czasie pojawiła się inna technologia: uruchomiono pierwsze płaskie tranzystory „Plane”.
W 1966 roku w Instytucie Badawczym Pulsar zaczęła działać pierwsza eksperymentalna stacja do produkcji płaskich układów scalonych. W NIIME grupa dr. Valieva rozpoczęła produkcję rezystorów liniowych z logicznymi układami scalonymi.
W 1968 r. Pulsar Research Institute wyprodukował pierwszą część cienkowarstwowych, płaskich, hybrydowych układów tranzystorowych KD910, KD911, KT318, które są przeznaczone do komunikacji, telewizji i radia.
Tranzystory liniowe z masowymi cyfrowymi układami scalonymi (typ 155) zostały opracowane w DOE Research Institute. W 1969 r. radziecki fizyk Z. I. Alferow odkrył światu teorię kontrolowania strumieni elektronów i światła w heterostrukturach opartych na systemie arsenku galu.
Przeszłość kontra przyszłość
Pierwsze tranzystory szeregowe były oparte na germanie. German typu P i typu N zostały połączone razem, tworząc tranzystor złączowy.
Amerykańska firma Fairchild Semiconductor wynalazła proces planarny w latach 60. XX wieku. Tutaj do produkcji tranzystorów zkrzem i fotolitografia zostały wykorzystane do poprawy odtwarzalności w skali przemysłowej. Doprowadziło to do powstania idei układów scalonych.
Znaczące różnice między tranzystorami germanowymi i krzemowymi są następujące:
- tranzystory krzemowe są znacznie tańsze;
- Tranzystor krzemowy ma napięcie progowe 0,7V, podczas gdy napięcie progowe dla germanu wynosi 0,3V;
- krzem wytrzymuje temperatury około 200°C, german 85°C;
- prąd upływu krzemu jest mierzony w nA, dla germanu w mA;
- PIV Si jest większe niż Ge;
- Ge może wykrywać niewielkie zmiany w sygnałach, dlatego są one najbardziej „muzycznymi” tranzystorami ze względu na ich wysoką czułość.
Dźwięk
Aby uzyskać wysokiej jakości dźwięk na analogowym sprzęcie audio, musisz podjąć decyzję. Co wybrać: nowoczesne układy scalone (IC) czy ULF na tranzystorach germanowych?
Na początku istnienia tranzystorów, naukowcy i inżynierowie spierali się o materiał, który będzie podstawą tych urządzeń. Wśród elementów układu okresowego niektóre są przewodnikami, inne są izolatorami. Ale niektóre elementy mają interesującą właściwość, dzięki której można je nazwać półprzewodnikami. Krzem jest półprzewodnikiem i jest używany w prawie wszystkich produkowanych obecnie tranzystorach i układach scalonych.
Ale zanim krzem został użyty jako odpowiedni materiał do produkcji tranzystora, został on zastąpiony germanem. Przewaga krzemu nad germanem wynikała głównie z wyższego zysku, jaki można było osiągnąć.
Chociaż tranzystory germanowe różnych producentów często mają różne właściwości, uważa się, że niektóre typy zapewniają ciepły, bogaty i dynamiczny dźwięk. Dźwięki mogą wahać się od chrupiących i nierównych do stłumionych i płaskich z przerwami. Niewątpliwie taki tranzystor zasługuje na dalsze badania jako urządzenie wzmacniające.
Porada dotycząca działania
Zakup komponentów radiowych to proces, w którym możesz znaleźć wszystko, czego potrzebujesz do swojej pracy. Co mówią eksperci?
Według wielu radioamatorów i koneserów wysokiej jakości dźwięku, serie P605, KT602, KT908 są uznawane za najbardziej muzyczne tranzystory.
W przypadku stabilizatorów lepiej jest użyć serii AD148, AD162 firm Siemens, Philips, Telefunken.
Sądząc po recenzjach, najmocniejszy z tranzystorów germanowych - GT806, wygrywa w porównaniu z serią P605, ale pod względem częstotliwości barwy lepiej jest dać pierwszeństwo tej drugiej. Warto zwrócić uwagę na typ KT851 i KT850 oraz tranzystor polowy KP904.
Typy P210 i ASY21 nie są zalecane, ponieważ w rzeczywistości mają słabe właściwości dźwiękowe.
Gitary
Chociaż różne marki tranzystorów germanowych mają różne właściwości, wszystkie mogą być używane do tworzenia dynamicznego, bogatszego i przyjemniejszego dźwięku. Mogą pomóc zmienić brzmienie gitaryw szerokiej gamie tonów, w tym intensywnych, wyciszonych, szorstkich, gładszych lub ich kombinacji. W niektórych urządzeniach są one szeroko stosowane, aby nadać muzyce gitarowej świetnie grające, niezwykle namacalne i miękkie brzmienie.
Jaka jest główna wada tranzystorów germanowych? Oczywiście ich nieprzewidywalne zachowanie. Według ekspertów konieczne będzie dokonanie imponującego zakupu komponentów radiowych, czyli zakup setek tranzystorów, aby po wielokrotnych testach znaleźć odpowiedni dla siebie. To niedociągnięcie zostało zidentyfikowane przez inżyniera studia i muzyka Zachary'ego Vexa podczas wyszukiwania starych bloków efektów dźwiękowych.
Vex zaczął tworzyć jednostki efektów gitarowych Fuzz, aby muzyka gitarowa brzmiała wyraźniej, miksując oryginalne jednostki Fuzz w określonych proporcjach. Użył tych tranzystorów bez testowania ich potencjału, aby uzyskać najlepszą kombinację, opierając się wyłącznie na szczęściu. W końcu został zmuszony do porzucenia niektórych tranzystorów z powodu ich nieodpowiedniego brzmienia i zaczął produkować w swojej fabryce dobre bloki Fuzz z tranzystorami germanowymi.
