Các bóng bán dẫnGermanium đã tận hưởng thời kỳ hoàng kim của chúng trong thập kỷ đầu tiên của ngành điện tử bán dẫn trước khi bị thay thế rộng rãi bởi các thiết bị silicon vi sóng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về lý do tại sao loại bóng bán dẫn đầu tiên vẫn được coi là một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp âm nhạc và có tầm quan trọng cao đối với những người sành âm thanh tốt.
Sự ra đời của nguyên tố
Germanium được Clemens và Winkler phát hiện ra tại thành phố Freiberg của Đức vào năm 1886. Sự tồn tại của nguyên tố này đã được Mendeleev dự đoán, khi đặt trước trọng lượng nguyên tử của nó bằng 71, và mật độ 5,5 g / cm3.
Vào đầu mùa thu năm 1885, một thợ mỏ làm việc tại mỏ bạc Himmelsfürst gần Freiberg tình cờ phát hiện ra một loại quặng bất thường. Nó được trao cho Albin Weisbach từ Học viện Mỏ gần đó, người đã xác nhận rằng nó là một khoáng chất mới. Đến lượt ông, ông đã yêu cầu đồng nghiệp Winkler của mình phân tích việc chiết xuất. Winkler đã phát hiện ra rằngcủa nguyên tố hóa học được tìm thấy là 75% bạc, 18% lưu huỳnh, nhà khoa học không thể xác định thành phần của 7% khối lượng còn lại của kết quả tìm thấy.
Đến tháng 2 năm 1886, ông nhận ra rằng đây là một nguyên tố mới giống kim loại. Khi các tính chất của nó được kiểm tra, rõ ràng nó là nguyên tố bị thiếu trong bảng tuần hoàn, nằm dưới silicon. Khoáng chất mà nó tạo ra được gọi là argyrodite - Ag 8 GeS 6. Trong một vài thập kỷ nữa, nguyên tố này sẽ tạo thành cơ sở của bóng bán dẫn germani cho âm thanh.
Germanium
Vào cuối thế kỷ 19, germanium lần đầu tiên được nhà hóa học người Đức Clemens Winkler phân lập và xác định. Vật liệu này, được đặt theo tên quê hương của Winkler, từ lâu đã được coi là một kim loại có độ dẫn điện thấp. Tuyên bố này đã được sửa đổi trong Chiến tranh thế giới thứ hai, vì đó là thời điểm các tính chất bán dẫn của gecmani được phát hiện. Các thiết bị bao gồm germani đã trở nên phổ biến trong những năm sau chiến tranh. Vào thời điểm này, nhu cầu sản xuất bóng bán dẫn germani và các thiết bị tương tự là cần thiết. Do đó, sản lượng germani ở Hoa Kỳ đã tăng từ vài trăm kg vào năm 1946 lên 45 tấn vào năm 1960.
Niên biểu
Lịch sử của bóng bán dẫn bắt đầu từ năm 1947 với Phòng thí nghiệm Bell, đặt tại New Jersey. Ba nhà vật lý lỗi lạc của Mỹ đã tham gia vào quá trình này: John Bardeen (1908-1991), W alter Brattain (1902-1987) và William Shockley (1910-1989).
Nhóm do Shockley dẫn đầu đã cố gắng phát triển một loại bộ khuếch đại mới choHệ thống điện thoại của Hoa Kỳ, nhưng những gì họ thực sự phát minh ra trở nên thú vị hơn nhiều.
Bardeen và Brattain đã chế tạo bóng bán dẫn đầu tiên vào thứ Ba, ngày 16 tháng 12 năm 1947. Nó được gọi là bóng bán dẫn tiếp xúc điểm. Shockley đã làm việc chăm chỉ cho dự án, vì vậy không có gì ngạc nhiên khi anh ấy bối rối và tức giận khi bị từ chối. Chẳng bao lâu sau, ông đã một tay hình thành lý thuyết về bóng bán dẫn đường giao nhau. Thiết bị này vượt trội hơn về nhiều mặt so với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm.
Sự ra đời của một thế giới mới
Trong khi Bardeen rời Bell Labs để trở thành một nhà khoa học (anh ấy tiếp tục nghiên cứu về bóng bán dẫn germanium và chất siêu dẫn tại Đại học Illinois), Brattain đã làm việc một thời gian trước khi chuyển sang giảng dạy. Shockley thành lập công ty sản xuất bóng bán dẫn của riêng mình và tạo ra một nơi duy nhất - Thung lũng Silicon. Đây là một khu vực thịnh vượng ở California xung quanh Palo Alto, nơi đặt các tập đoàn điện tử lớn. Hai nhân viên của ông, Robert Noyce và Gordon Moore, đã thành lập Intel, nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới.
Bardeen, Brattain và Shockley tái hợp một thời gian ngắn vào năm 1956 khi họ nhận được giải thưởng khoa học cao nhất thế giới, Giải Nobel Vật lý, cho khám phá của họ.
Luật bằng sáng chế
Thiết kế bóng bán dẫn tiếp xúc điểm ban đầu được phác thảo trong một bằng sáng chế của Hoa Kỳ do John Bardeen và W alter Brattain đệ trình vào tháng 6 năm 1948 (khoảng sáu tháng sau khám phá ban đầu). Bằng sáng chế được cấp ngày 3 tháng 10 năm 1950của năm. Một bóng bán dẫn PN đơn giản có một lớp mỏng trên cùng là gecmani loại P (màu vàng) và một lớp dưới cùng là gecmani loại N (màu cam). Các bóng bán dẫn Germanium có ba chân: cực phát (E, đỏ), cực thu (C, xanh lam) và chân đế (G, xanh lục).
Nói một cách dễ hiểu là
Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại âm thanh bóng bán dẫn sẽ trở nên rõ ràng hơn nếu chúng ta rút ra một sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của vòi nước: bộ phát là một đường ống, và bộ thu là một vòi. So sánh này giúp giải thích cách hoạt động của bóng bán dẫn.
Hãy tưởng tượng rằng bóng bán dẫn là một vòi nước. Dòng điện hoạt động giống như nước. Bóng bán dẫn có ba thiết bị đầu cuối: đế, cực thu và cực phát. Phần đế hoạt động giống như một tay cầm của vòi, bộ thu hoạt động giống như nước chảy vào vòi và bộ phát hoạt động giống như một lỗ mà từ đó nước chảy ra. Bằng cách xoay nhẹ tay cầm của vòi, bạn có thể kiểm soát dòng nước chảy mạnh. Nếu bạn xoay nhẹ tay cầm của vòi, thì tốc độ dòng chảy của nước sẽ tăng lên đáng kể. Nếu tay nắm vòi được đóng hoàn toàn, nước sẽ không chảy ra. Nếu bạn xoay hết núm, nước sẽ chảy nhanh hơn rất nhiều.
Nguyên lý hoạt động
Như đã đề cập trước đó, bóng bán dẫn germani là mạch dựa trên ba tiếp điểm: cực phát (E), cực thu (C) và đế (B). Đế điều khiển dòng điện từ bộ thu đến bộ phát. Dòng điện chạy từ bộ thu đến bộ phát tỷ lệ với dòng điện cơ bản. Dòng phát, hoặc dòng cơ bản, bằng hFE. Thiết lập này sử dụng một điện trở thu (RI). Nếu dòng điện Ic chạy quaRI, một điện áp sẽ được tạo ra trên điện trở này, bằng tích Ic x RI. Điều này có nghĩa là điện áp trên bóng bán dẫn là: E2 - (RI x Ic). Ic xấp xỉ bằng Ie, vì vậy nếu IE=hFE x IB, thì Ic cũng bằng hFE x IB. Do đó, sau khi thay thế, điện áp trên các bóng bán dẫn (E) là E2 (RI x le x hFE).
Chức năng
Bộ khuếch đại âm thanh bóng bán dẫn được xây dựng dựa trên các chức năng khuếch đại và chuyển mạch. Lấy radio làm ví dụ, các tín hiệu mà radio nhận được từ bầu khí quyển là cực kỳ yếu. Bộ đàm khuếch đại các tín hiệu này thông qua đầu ra của loa. Đây là chức năng "tăng cường". Vì vậy, ví dụ, bóng bán dẫn germanium gt806 được thiết kế để sử dụng trong các thiết bị xung, bộ chuyển đổi và ổn định dòng điện và điện áp.
Đối với radio analog, chỉ cần khuếch đại tín hiệu là loa sẽ tạo ra âm thanh. Tuy nhiên, đối với các thiết bị kỹ thuật số, dạng sóng đầu vào phải được thay đổi. Đối với thiết bị kỹ thuật số như máy tính hoặc máy nghe nhạc MP3, bóng bán dẫn phải chuyển trạng thái tín hiệu sang 0 hoặc 1. Đây là "chức năng chuyển đổi"
Bạn có thể tìm thấy các thành phần phức tạp hơn được gọi là bóng bán dẫn. Chúng ta đang nói về các mạch tích hợp được làm từ sự thẩm thấu silicon lỏng.
Thung lũng Silicon của Liên Xô
Vào thời Xô Viết, vào đầu những năm 60, thành phố Zelenograd đã trở thành bàn đạp cho việc tổ chức Trung tâm Vi điện tử trong đó. Kỹ sư Liên Xô Shchigol F. A. phát triển bóng bán dẫn 2T312 và bóng bán dẫn tương tự 2T319, sau này trở thànhthành phần chính của mạch lai. Chính người đàn ông này đã đặt nền móng cho việc sản xuất bóng bán dẫn germani ở Liên Xô.
Năm 1964, nhà máy Angstrem, trên cơ sở Viện Nghiên cứu Công nghệ Chính xác, đã tạo ra mạch tích hợp IC-Path đầu tiên với 20 phần tử trên một con chip, thực hiện nhiệm vụ kết hợp các bóng bán dẫn với các kết nối điện trở. Cùng lúc đó, một công nghệ khác xuất hiện: các bóng bán dẫn phẳng đầu tiên "Máy bay" được ra mắt.
Năm 1966, trạm thí nghiệm đầu tiên để sản xuất mạch tích hợp phẳng bắt đầu hoạt động tại Viện nghiên cứu Pulsar. Tại NIIME, nhóm của Tiến sĩ Valiev bắt đầu sản xuất điện trở tuyến tính với mạch tích hợp logic.
Năm 1968, Viện Nghiên cứu Pulsar đã sản xuất phần đầu tiên của IC lai bóng bán dẫn phẳng màng mỏng KD910, KD911, KT318, được thiết kế cho truyền thông, truyền hình, phát thanh.
Bóng bán dẫn tuyến tính với IC kỹ thuật số sử dụng hàng loạt (loại 155) được phát triển tại Viện nghiên cứu DOE. Năm 1969, nhà vật lý Liên Xô Zh I. Alferov đã khám phá ra cho thế giới lý thuyết điều khiển các dòng electron và ánh sáng trong các dị cấu trúc dựa trên hệ thống gallium arsenide.
Quá khứ so với tương lai
Các bóng bán dẫn nối tiếp đầu tiên dựa trên germanium. Gecmani loại P và loại N. được kết nối với nhau để tạo thành một bóng bán dẫn đường giao nhau.
Công ty Fairchild Semiconductor của Mỹ đã phát minh ra quy trình phẳng vào những năm 1960. Ở đây để sản xuất bóng bán dẫn vớisilicon và quang khắc đã được sử dụng để cải thiện khả năng tái tạo quy mô công nghiệp. Điều này dẫn đến ý tưởng về mạch tích hợp.
Sự khác biệt đáng kể giữa bóng bán dẫn germani và silicon như sau:
- bóng bán dẫn silicon rẻ hơn nhiều;
- bóng bán dẫn silicon có điện áp ngưỡng là 0,7V trong khi germani có điện áp ngưỡng là 0,3V;
- silicon chịu được nhiệt độ khoảng 200 ° C, germanium 85 ° C;
- dòng rò silicon được đo bằng nA, đối với germani tính bằng mA;
- PIV Si lớn hơn Ge;
- Ge có thể phát hiện những thay đổi nhỏ trong tín hiệu do đó chúng là bóng bán dẫn "âm nhạc" nhất do độ nhạy cao.
Âm thanh
Để có được âm thanh chất lượng cao trên thiết bị âm thanh analog, bạn cần phải quyết định. Chọn gì: mạch tích hợp hiện đại (IC) hoặc ULF trên bóng bán dẫn germani?
Trong những ngày đầu của bóng bán dẫn, các nhà khoa học và kỹ sư đã tranh cãi về vật liệu làm nền tảng cho các thiết bị. Trong số các nguyên tố của bảng tuần hoàn, một số là chất dẫn điện, số khác là chất cách điện. Nhưng một số nguyên tố có một đặc tính thú vị cho phép chúng được gọi là chất bán dẫn. Silicon là một chất bán dẫn và được sử dụng trong hầu hết các bóng bán dẫn và mạch tích hợp được sản xuất ngày nay.
Nhưng trước khi silicon được sử dụng làm vật liệu thích hợp để chế tạo bóng bán dẫn, nó đã được thay thế bằng germani. Lợi thế của silicon so với germani chủ yếu là do độ lợi cao hơn có thể đạt được.
Mặc dù các bóng bán dẫn germanium từ các nhà sản xuất khác nhau thường có các đặc điểm khác nhau, nhưng một số loại được coi là tạo ra âm thanh ấm, phong phú và sống động. Âm thanh có thể từ giòn và không đều đến nghẹt và bằng phẳng ở giữa. Không nghi ngờ gì nữa, một bóng bán dẫn như vậy xứng đáng được nghiên cứu thêm như một thiết bị khuếch đại.
Lời khuyên cho hành động
Mua các thành phần radio là một quá trình mà bạn có thể tìm thấy mọi thứ bạn cần cho công việc của mình. Các chuyên gia nói gì?
Theo đánh giá của nhiều nhà đài nghiệp dư và sành âm thanh chất lượng cao, dòng P605, KT602, KT908 được công nhận là những bóng bán dẫn âm nhạc nhất.
Đối với bộ ổn định, tốt hơn nên sử dụng dòng AD148, AD162 của Siemens, Philips, Telefunken.
Đánh giá bằng các đánh giá, bóng bán dẫn germanium mạnh nhất - GT806, nó thắng so với dòng P605, nhưng về tần số âm sắc, tốt hơn nên ưu tiên loại sau. Cần chú ý đến loại KT851 và KT850, cũng như bóng bán dẫn hiệu ứng trường KP904.
LoạiP210 và ASY21 không được khuyến khích vì chúng thực sự có đặc tính âm thanh kém.
Guitars
Mặc dù các bóng bán dẫn germanium của các hãng khác nhau có những đặc điểm khác nhau, nhưng chúng đều có thể được sử dụng để tạo ra âm thanh sống động, phong phú hơn và thú vị hơn. Chúng có thể giúp thay đổi âm thanh của một cây đàn guitartrong một loạt các âm, bao gồm cường độ cao, tắt tiếng, chói tai, mượt mà hơn hoặc sự kết hợp của các âm này. Trong một số thiết bị, chúng được sử dụng rộng rãi để mang đến cho âm nhạc guitar một cách chơi tuyệt vời, âm thanh cực kỳ rõ ràng và mềm mại.
Nhược điểm chính của bóng bán dẫn germanium là gì? Tất nhiên, hành vi không thể đoán trước của họ. Theo các chuyên gia, sẽ cần phải thực hiện một cuộc mua sắm linh kiện vô tuyến hoành tráng, tức là mua hàng trăm bóng bán dẫn để tìm được bóng bán dẫn phù hợp với bạn sau nhiều lần thử nghiệm. Thiếu sót này đã được xác định bởi kỹ sư phòng thu kiêm nhạc sĩ Zachary Vex trong khi tìm kiếm các khối hiệu ứng âm thanh cổ điển.
Vex bắt đầu tạo các đơn vị hiệu ứng guitar Fuzz để làm cho âm nhạc guitar nghe rõ ràng hơn bằng cách trộn các đơn vị Fuzz ban đầu theo tỷ lệ nhất định. Ông đã sử dụng những bóng bán dẫn này mà không kiểm tra tiềm năng của chúng để có được sự kết hợp tốt nhất mà chỉ dựa vào may mắn. Cuối cùng, anh ấy buộc phải từ bỏ một số bóng bán dẫn do âm thanh không phù hợp của chúng và bắt đầu sản xuất các khối Fuzz tốt với bóng bán dẫn germani trong nhà máy của mình.
