Tranzistoriai yra esminiai šiuolaikinės elektronikos komponentai, naudojami įvairiuose įrenginiuose - nuo kompiuterių iki išmaniųjų telefonų. Vienas iš svarbiausių tranzistoriaus parametrų yra jo bazės plotis. Šiame straipsnyje išnagrinėsime, kodėl tranzistoriaus bazės plotis turi būti kuo mažesnis.
Norint suprasti šį klausimą, būtina prisiminti keletą pagrindinių fizikos sąvokų ir dėsnių, susijusių su elektros krūvininkų judėjimu puslaidininkiuose.
Bipolinio tranzistoriaus schema
Pagrindinės Sąvokos
- Mechanika yra mokslas apie kūnų judėjimą - jų padėties kitimą keičiantis laikui.
- Kinematika nagrinėja judėjimą, nesigilindama į priežastis. Pagrindinės kinematikos sąvokos: materialiuoju tašku praminto kkūno padėtis, poslinkis, greitis, pagreitis, trajektorija.
- Statika moko sudėti arba skaidyti jėgas, skaičiuoti jėgų momentus, tirti pusiausvyros sąlygas ir jos rūšis.
- Dinamika tartum susieja statiką su kinematika - nagrinėja judėjimą, atsižvelgdama į jo priežastis, jėgas, energijas.
Svarba Mažo Bazės Pločio
Tranzistoriaus veikimas priklauso nuo to, kaip efektyviai krūvininkai (elektronai arba skylės) juda per bazę nuo emiterio iki kolektoriaus. Jei bazės plotis yra didelis, tai padidina rekombinacijos tikimybę bazėje. Rekombinacija įvyksta, kai krūvininkai susijungia ir neutralizuoja vienas kitą, sumažindami krūvininkų skaičių, pasiekiančių kolektorių. Dėl to sumažėja tranzistoriaus stiprinimo koeficientas ir efektyvumas. Kuo bazė plonesnė, tuo mažesnė tikimybė, kad krūvininkai rekombinuos bazėje, ir tuo didesnis tranzistoriaus stiprinimo koeficientas.
Štai keletas priežasčių, kodėl mažas bazės plotis yra svarbus:
- Didesnis stiprinimo koeficientas: Mažesnis bazės plotis leidžia daugiau krūvininkų pasiekti kolektorių, padidinant tranzistoriaus stiprinimo koeficientą.
- Greitesnis veikimas: Krūvininkams reikia mažiau laiko keliauti per ploną bazę, todėl tranzistorius gali veikti didesniu greičiu.
- Mažesni nuostoliai: Sumažėjus rekombinacijai, sumažėja ir energijos nuostoliai tranzistoriuje.
Aprašydamas mokinio poslinkį iš traukinio, Mėnulio, Saulės ar kitos judančios atskaitos sistemos, nepasakysi, kad jo paros poslinkis lygus nuliui: traukinys nutolo, žemė pasisuko, paskriejo. Svarbu, iš kur pažiūrėsi, nes viskas, net ir vieta, greitis, pagreitis, sąžinė, yra reliatyvūs.
VEKTORIŲ PROJEKCIJOS. Tarkime, kad s ilgumo poslinkio vektorius sudaro kampą α su pasirinktąja (praminkime ją OX) kryptimi. Tada projekcija į šią ašį sx=s cosα. Kai poslinkio ir OX kryptys sutampa (α=0, cosα=1), sx=s, kai priešingos (cos1800=-1), projekcija sx=-s, kai statmenos (α=900, cosα=0), sx=o - “pusiaujo stulpas - be šešėlio”.
Jeigu plokštumos XOY vektorius (ar bet koks kitas) turėtų su Dekarto koordinatėmis ΟΧ, OY, α=SOX, β=SOY kampus, tai jo projekcijos į tas ašis būtų: sx=scosα, sy=scosβ. Taigi vektorių galima nusakyti dvejopai - arba jo didumu ir kryptimi, arba jo projekcijomis į koordinačių ašis.
VEKTORIŲ SUDĖTIS PROJEKCIJOMIS. Jeigu vektoriaus projekcijos yra ax ir ay, o vektoriaus - cx ir cy, tai tų vektorių suma + yra vektorius, kurio projekcijos yra ax+cx, ay+cy.
TRIGONOMETRINĖ VEKTORIŲ SUDĖTIS. Kai žinomi vektorių didumai a, c ir kampas tarp jų β, pagelbės kosinusų teorema: + 2=a2+2absosβ+b2; - 2=a2-2absosβ+b2. Tai būtų, jei ne kosinusas, dvinario kvadrato formulė.
Provokacija: sudėkite horizontalų v=4m/s greitį su vertikaliu a=3m/s2 pagreičiu. Nedėkite, nes tai - skirtingų matavimų vienetų vektoriai!
Linija, kuria juda materialusis taškas, vadinama trajektorija. Jei trajektorija - tiesė, judėjimas vadinamas tiesiaeigiu. Jis vaizduojamas vienoje koordinačių ašyje, pvz., OX. Pradinę vietą vadiname pradine koordinate x0, o bet kurią kitą - tiesiog koordinate x. Jei nusakyta, kaip priklauso taško padėtis nuo laiko t, sakome, kad tai yra judėjimo dėsnis.
Kai kkoordinatė nuo laiko priklauso tiesiškai (x=x0+v t), judėjimas yra tolygusis, o jo greitis yra poslinkis s, padalytas iš to poslinkio laiko t: v=s/t. Čia poslinkis yra atstumas nuo pradinės padėties x0 iki taško padėties x: s=x-x0.
Tolygiojo judėjimo greitis nepriklauso nuo laiko: per vienodus laikus nueinamas vienodas kelias.
Tolygiai kintamas judėjimas nusakomas koordinatės lygtimi x=x0+v0t+at2/2 arba poslinkio lygtimi s=v0t+at2/2. Čia v0 yra pradinis greitis (greitis, kai t=0); a - pagreitis. Greičio formulė: v=v0+at.
Kadangi greitis su laiku kinta, skiriamos dvi greičio rūšys: vidutinis ir momentinis. Vidutinis greitis yra visas kelias, padalytas iš viso laiko. Momentinis greitis - poslinkio ir laiko santykis per nykstamai mažą laiko tarpą - akimirksnį. vienetais (m/s), o km/h.
Greičio kitimo spartą nusako pagreitis: pagreitis a yra greičio v kitimo greitis (sparta). : pagreitis a yra greičio pokytis, padalytas iš to pokyčio laiko t.
Patarimas: kai koordinačių ar kita atskaitos sistema nenurodyta, pasirenkame ją patys taip, kad būtų lengviausia matematiškai aprašyti judėjimą. Paprasčiausias vvariantas: pradinė padėtis - koordinačių pradžia.
Poslinkio, kai greitis vienodas (tolygusis judėjimas), grafikas (funkcija s, argumentas t) yra tiesė, nusakoma lygtimi s=vt. Tai per koordinačių centrą einanti tiesė, kurios kampą αα su t ašimi lemia greitis.
Greičio grafikas ir tolygiajam, ir tolygiai kintamam judėjimui yra tiesė, nusakoma greičio priklausomybės nuo laiko dėsniu: v=v0+at. Kai pagreičio nėra (a=0), grafikas - lygiagreti t ašiai tiesė; kai a#0, grafikas - pasviroji, kurios pradinis aukštis - pradinis greitis v0, galinis aukštis - galinis greitis. Pagreitis apibrėžiamas kaip iš laiko padalytas greičių skirtumas a= .
Nubrėžę greičio grafiko trapeciją, patiriame, kad jos plotas S - poslinkio didumas: s=S. vidutinis greitis vv=(v0+v)/2, padaugintas iš laiko: s=vvt= (v0+v)t/2. Tolygiai kintamo judėjimo pagreičio grafikas yra horizontali tiesė; grafiko plotas - greitis.
Dar Galilėjus teoriškai ir eksperimentu parodė: kai oro pasipriešinimas menkas, visi kūnai krinta vienodu pagreičiu gg. Ši idealizacija pavadinta laisvuoju kritimu. Jei kūnas juda tik su laisvojo kritimo pagreičiu g vertikaliai, verta jo koordinatę (šįkart OY) nukreipti aukštyn, kad užrašytume koordinatės y ir greičio v priklausomybę nuo laiko: y=y0+v0t-gt2/2; v=v0-gt. Čia y0=h - pradinis aukštis, v0 - pradinis greitis (jei teigiamas - aukštyn!).
Beje, neinercine vadiname tokią atskaitos sistemą (koordinačių sistemą), kurios judėjimas nesuteikia papildomo pagreičio. Kai yra toks neapibrėžtumas, nepamirškime, nusakydami vietą, poslinkį, greitį, nurodyti, kieno tai atžvilgiu pateikėme. Paprastai, kai nurodymų nebūna, tariama, kad atskaitos kūnas yra kuri nors žemės vieta, pvz., klasė, lova.
Dviračio horizontalus greitis 8m/s; vertikaliai krintančio lašo 6m/s. Koks lašo greitis (didumas ir kryptis) dviračio atžvilgiu?
Dviračio atžvilgiu visa, kas žemėje, įgyja jam priešais greitį vd. Ne išimtis ir lašas, kuriam prie kritimo prisideda ir priešinis horizontalusis greitis. Kadangi tiedu greičiai statmeni, jų “atstojamoji” - sumos kvadratas v2=(-vd)2+vl2; v=10m/s.
Lineliui krintančio lašo lygtys: y=h-gt2/2, x=vxt; vx yra vagono greitis pylimo atžvilgiu.
Metus kūną iš taško x0=0 ir aukščio y0= h horizontaliai pradiniu greičiu v0, jo tolimesnė vieta nusakoma koordinatėmis x=v0t, y=h-gt2/2, o horizontalioji ir vertikalioji greičio projekcija vx=v0, vy=-gt. Įrašę konkrečią laiko vertę, iš čia sužinosime kur yra mestasis kūnas, kokios ggreičio projekcijos. Būtent, poslinkis , o greičio didumas . Nukris, kaip ir laisvai krintantis kūnas, po t= laiko. Per tą laiką jis horizontaliai nulėks atstumą x=v0 .
KREIVAEIGIS JUDĖJIMAS. Galbūt Izaokas Niutonas nebūtų sukūręs mechanikos, jei nebūtų suvokęs, jog greitis yra vektorius, nukreiptas pagal trajektorijos liestinę, o pagreitis aatsiranda ne tik dėl greičio didumo kitimo: jį lemia ir greičio krypties kitimas.
Bendroji pagreičio formulė skiriasi nuo tiesiojo judėjimo pagreičio tik vektoriškumu: . Greičio krypties pagreičio dedamąją, gautą dėl greičio didumo kitimo, vadina liestiniu (tangentiniu) at pagreičiu; pagreitį, nukreiptą į apskritimo su r spinduliu (kreivumo) centrą an=v2/r, - įcentriniu (normaliniu).
Esant sukimuisi, visi kūno taškai juda apskritimais, pasisukdami vienodu radianais matuojamu kampu =s/r (s - lanko ilgis, r - spindulys). Posūkio kampo santykį su laiku vadina kampiniu greičiu : =/t . Kadangi s=r, padaliję iš t gauname: - paprastas (linijinis) sukamojo judesio greitis lygus kampinio greičio ir spindulio sandaugai.
Įrašę v į an formulę, turėsime kitas įcentrinio pagreičio išraiškas: an=2r; an=ωv. Laikas, per kurį taškas tolygiai apeina apskritimu, yra periodas T. T=T=2π/ω. Apsisukimų dažnis ν=1/Τ; [ν]=Hz=1/s.
Pirmasis Niutono dėsnis: inercinėje (tai yra judančioje be pagreičio ir nesisukančioje) atskaitos sistemoje nieko neveikiami kūnai juda tiesiai ir tolygiai - be pagreičio. Šis dėsnis kviečiasi antrąjį, kuris išaiškintų, ko reikia, kad judėjimas kistų.
Tam reikalingos dvi sąvokos - jėga ir masė. Jėga F pasireiškia dvejopai: 1) tai deformacijos priežastis - net jei kūnas nejuda, priešingų krypčių jėgos jį deformuoja (nebūtinai pastebimai); 2) judėjimo pakitimo, nusakomo pagreičiu, priežastis. Jėga - vektorius: jos pasekmė priklauso ir nuo veikimo krypties.
Masė m taip pat dvejopa: 1) kuo didesnė masė, tuo didesnis svoris - masyvesnius kūnus stipriau traukia žemė ir kiti kūnai; 2) kuo didesnė masė, tuo sunkiau pakeisti jos judėjimą, nnusakomą pagreičiu. Masės vienetas - kilogramas. Tai pagrindinis, etaloninis SI sistemos vienetas.
Jėgą, masę ir pagreitį sieja Antrasis Niutono dėsnis: kūno pagreitis yra lygus jį veikiančių jėgų atstojamajai, padalytai iš masės: . (Galima rašyti ir taip: .)
Pagreitis tuo didesnis, kuo stipresnė jėga (tiesioginis proporcingumas), ir tuo mažesnis, kuo didesnė masė (atvirkščiasis proporcingumas). Paprasčiausia jėgą išmatuoti dinamometru, kurio veikimas grįstas Huko dėsniu: spyruoklės pailgėjimas proporcingas jėgos didumui.
II Niutono dėsnis praverčia ir ...
Tranzistoriaus bazės plotis
Apibendrinant, tranzistoriaus bazės plotis turi būti kuo mažesnis, siekiant užtikrinti didesnį stiprinimo koeficientą, greitesnį veikimą ir mažesnius energijos nuostolius. Šie faktoriai yra esminiai kuriant efektyvius ir patikimus elektroninius įrenginius.