Германієві транзистори переживали період свого розквіту протягом першого десятиліття напівпровідникової електроніки, перш ніж їх широко замінили кремнієві пристрою надвисокої частоти. У цій статті обговоримо, чому перший тип транзисторів досі в музичній галузі вважається важливим елементом і володіє високою значущістю для поціновувачів хорошого звуку.
Зародження елемента
Германій був виявлений Клеменсом і Вінклером в німецькому місті Фрайберг в 1886 році. Існування цього елемента передбачав Менделєєв, встановивши заздалегідь його атомна вага, що дорівнює 71, і щільність 5,5 г/см3.
На початку осені 1885 року шахтар, який працював на срібному руднику Химмельсфюрст поблизу Фрайберга, натрапив на незвичайну руду. Вона була передана Альбіну Вейсбаху з прилеглої Гірничої академії, який підтвердив, що це новий мінерал. Він у свою чергу попросив свого колегу Вінклера проаналізувати видобуток. Вінклер виявив, що у складі знайденого хімічного елемента знаходиться 75 % срібла, 18 % сірки, склад решти 7 %-ного обсягу знахідки вчений визначити не зміг.
До лютого 1886 року він зрозумів, що це новий металлоподобный елемент. Коли були протестовані його властивості, стало ясно, що це бракуючий елемент таблиці Менделєєва, який розташовується нижче кремнію. Мінерал, з якого він походить, відомий як аргіродіт – Ag 8 GeS 6. Через кілька десятиліть цей елемент буде виступати основою германієвих транзисторів для звуку.
Германій
В кінці XIX століття германій був вперше виділений і ідентифікований німецьким хіміком Клеменсом Вінклером. Цей матеріал, названий на честь батьківщини Вінклера, довгий час вважався малопроводящим металом. Це твердження було переглянуто в період Другої світової війни, так як саме тоді були виявлені напівпровідникові властивості германію. Прилади, що складаються з німеччина, широко поширилися в повоєнні роки. У цей час потрібно було задовольнити потребу у виробництві германієвих транзисторів і подібних пристроїв. Так, виробництво німеччина в США зросла з декількох сотень кілограмів у 1946 році до 45 тонн до 1960 року.
Хроніка
Історія створення транзисторів починається в 1947 році з компанії Bell Laboratories, розташованої в Нью-Джерсі. У процесі брали участь троє блискучих американських фізиків: Джон Бардін (1908-1991), Уолтер Браттэйн (1902-1987) та Вільям Шоклі (1910-1989).
Команда, очолювана Шоклі, намагалася розробити новий тип підсилювача для телефонної системи США, але те, що вони насправді винайшли, виявилося набагато цікавіше.
Бардін і Браттэйн спорудили перший транзистор у вівторок 16 грудня 1947 року. Він відомий як транзистор з точковим контактом. Шоклі багато працював над проектом, тому не дивно, що він був схвильований і розлючений тим, що його відхилили. Незабаром він сам сформував теорію перехідного транзистора. Це пристрій по багатьом параметрам перевершує транзистор з точковим контактом.
Зародження нового світу
У той час як Бардін кинув Bell Labs, щоб стати академіком (він продовжив вивчення германієвих транзисторів і надпровідників в Іллінойському університеті), Браттэйн попрацював ще деякий час, а після пішов у педагогіку. Шоклі заснував свою власну компанію з виробництва транзисторів і створив унікальне місце – Силіконову долину. Це процвітаючий район в Каліфорнії навколо Пало-Альто, де знаходяться великі корпорації електроніки. Двоє з його співробітників, Роберт Нойс і Гордон Мур, заснували компанію Intel, найбільшого в світі виробника мікросхем.
Бардін, Браттэйн і Шоклі ненадовго возз’єдналися в 1956 році: за своє відкриття вони отримали найвищу в світі наукову нагороду – Нобелівську премію з фізики.
Патентне право
Оригінальний дизайн транзистора з точковим контактом викладено в патенті США Джона Бардіна і Уолтера Браттэйна, зареєстрованому в червні 1948 року (приблизно через шість місяців після першого відкриття). Патент виданий 3 жовтня 1950 року. Простий PN-транзистор володів тонким верхнім шаром германію P-типу (жовтий) і нижнім шаром германію N-типу (помаранчевий). Германієві транзистори мали три контакту: емітер (E, червоний), колектор (C, синій) і база (G, зелений).
Простими словами
Принцип роботи підсилювача звуку на транзисторах стане зрозуміліше, якщо ми проведемо аналогію з принципом роботи водопровідного крана: випромінювач – це трубопровід, а колектор – кран. Таке порівняння допомагає пояснити, як працює транзистор.
Уявімо, що транзистор – це водопровідний кран. Електричний струм діє, як вода. Транзистор має три контакти: основа, колектор і емітер. Підстава працює як ручка крана, колектор – як вода, що подається в кран, а випромінювач – як отвір, з якого вода витікає. Злегка повертаючи ручку крана, можна стримувати потужний потік води. Якщо злегка повернути ручку крана, тоді швидкість потоку води значно збільшиться. Якщо повністю закрити ручку крана, то вода не буде текти. Якщо повернути ручку повністю, то вода буде литися набагато швидше.
Принцип дії
Як говорилося раніше, германієві транзистори – схеми,у яких в основі три контакту: емітер (E), колектор (C) і підстава (B). База контролює струм від колектора до емітером. Струм, який тече від колектора до емітера, пропорційний струму бази. Струм емітера, або базовий струм дорівнює hFE. Дана установка використовує резистор колектора (RI). Якщо струм Ic протікає через RI, на цьому резисторі буде сформовано напруга, яка дорівнює добутку Ic x RI. Це означає, що напруга на транзисторі дорівнює: E2 – (RI x Ic). Ic приблизно дорівнює Ie, тому, якщо IE = hFE x IB, Ic також дорівнює hFE x IB. Отже, після проведеної заміни напруга на транзисторах (E) становить E2 (RI x le x hFE).
Функції
Підсилювач звуку на транзисторах побудований на функціях посилення і комутації. Якщо розглядати в якості прикладу радіо, то сигнали, які радіо отримує з атмосфери, надзвичайно слабкі. Радіо підсилює ці сигнали через вихід динаміка. Це функція «посилення». Так, наприклад, германієвий транзистор гт806 призначений для використання в імпульсних пристроях, перетворювачах і стабілізаторах струму і напруги.
Для аналогового радіо просте посилення сигналу змусить динаміки відтворювати звук. Однак для цифрових пристроїв форму вхідного сигналу необхідно змінити. Для цифрового пристрою, такого як комп’ютер або MP3-плеєр, транзистор повинен перемикати стан сигналу в 0 або 1. Це «функція перемикання»
Можна знайти більш складні компоненти, що називаються транзисторами. Мова про інтегральних мікросхемах, виготовлених з рідинної кремнієвої інфільтрації.
Радянська «силіконова долина»
В радянський час, на початку 60-х років, місто Зеленоград став плацдармом для організації в ньому Центру мікроелектроніки. Радянський інженер Щиголь Ф. А. розробляє транзистор 2Т312 і його аналог 2Т319, який в подальшому став головним компонентом гібридних ланцюгів. Саме ця людина заклала основу для випуску в СРСР германієвих транзисторів.
У 1964 році завод «Ангстрем» на базі Науково-дослідного інституту точних технологій створив першу інтегральну мікросхему IC-Path з 20 елементів на кристалі, що виконує завдання сукупності транзисторів з резистивними сполуками. В цей же час з’явилася інша технологія: були запущені перші плоскі транзистори «Площину».
У 1966 році в Пульсарском науково-дослідному інституті почала діяти перша експериментальна станція по виробництву плоских інтегральних мікросхем. У NIIME група доктора Валієва почала виробництво лінійних резисторів з логічними інтегральними схемами.
У 1968 році Дослідний інститут “Пульсар” зробив першу частину тонкоплівкових гібридних ІС з плоскими транзисторами з відкритою рамою типів KD910, KD911, KT318, які призначені для зв’язку, телебачення, радіомовлення.
Лінійні транзистори з цифровими ІС масового використання (типу 155) були розроблені в Науково-дослідному інституті МЕ. У 1969 році радянський фізик Алфьоров Ж. В. відкрив світові теорію з управління електронними та світловими потоками в гетероструктурах на базі арсенід-галієвої системи.
Минуле проти майбутнього
В основі перших серійних транзисторів перебував германій. P-тип N-тип німеччина були з’єднані разом, утворюючи перехідний транзистор.
Американська компанія Fairchild Semiconductor у 1960-х роках винайшла планарний процес. Тут для виробництва транзисторів з поліпшеними відтворюваними характеристиками в промисловому масштабі використовувався кремній і фотолітографія. Це привело до ідеї інтегральних схем.
Істотні відмінності між германиевыми і кремнієвими транзисторами полягають у наступному:
- кремнієві транзистори набагато дешевше;
- кремнієвий транзистор має граничне напруга 0,7 В, у той час як германій – 0,3;
- кремній витримує температури близько 200 ° C, германій – 85 ° C;
- струм витоку кремнію вимірюється в нА, для німеччина – мА;
- PIV Si більше порівняно з Ge;
- Ge може виявити невеликі зміни в сигналах, отже, вони є самими “музичними” транзисторами з-за високої чутливості.
Аудіо
Для отримання якісного звуку на аналоговому аудиооборудовании потрібно визначитися. Що вибрати: сучасні інтегральні схеми (ІС) або УНЧ на германієвих транзисторах?
У перші дні появи транзисторів вчені та інженери сперечалися щодо матеріалу, який буде лежати в основі роботи пристроїв. Серед елементів періодичної таблиці одні є провідниками, інші – ізоляторами. Але у деяких елементів є цікава властивість, що дозволяє їм називатися напівпровідниками. Кремній є напівпровідником і використовується майже у всіх транзисторах та інтегральних схемах, виготовлених сьогодні.
Але до того, як кремній став використовуватися в якості відповідного матеріалу для виготовлення транзистора, його заміняв германій. Перевага кремнію в порівнянні з германієм пояснювалося в основному більш високим коефіцієнтом підсилення, який міг бути досягнутий.
Хоча германієві транзистори різних виробників часто володіють відмінними один від одного характеристиками, вважається, що деякі типи дають теплий, насичений і динамічний звук. Звуки можуть варіюватися від хрустких і нерівних до приглушених і рівних з проміжними між ними. Безсумнівно, подібний транзистор заслуговує подальшого вивчення як підсилювального пристрою.
Поради до дії
Скупка радіодеталей – процес, при якому можна знайти все необхідне для своїх робіт. Що ж кажуть фахівці?
На думку багатьох радіоаматорів та цінителів якісного звуку, найбільшими музичними транзисторами визнані серії П605, КТ602, КТ908.
Для стабілізаторів краще використовувати серії AD148, AD162 марок Siemens, Philips, Telefunken.
Судячи з відгуків найбільш потужний з германієвих транзисторів – ГТ806, він виграє у порівнянні з серією П605, однак по частоті тембру перевагу краще віддати останнім. Варто звернути увагу на тип КТ851 і КТ850, а також польовий транзистор КП904.
Не радять використовувати типи П210 і ASY21, так як на ділі вони володіють поганими звуковими характеристиками.
Гітари
Хоча германієві транзистори різних марок відрізняються характеристиками всі вони можуть бути використані для створення динамічного, більш насиченого та приємного звуку. Вони можуть допомогти змінити звучання гітари в широкому діапазоні тонів, включаючи інтенсивні, приглушені, різкі, більш рівні або їх комбінацію. У деяких пристроях вони широко використовуються для додання гітарної музики чудового ігрового, надзвичайно відчутного і м’якого звучання.
Який істотний недолік є у германієвих транзисторів? Звичайно ж, їх непередбачувану поведінку. За словами експертів, потрібно буде провести грандіозну купівлю радіодеталей, тобто придбати сотні транзисторів, щоб після багаторазового тестування знайти підходящу для себе. Цей недолік був виявлений інженером студії і музикантом Закарі Вексом під час пошуків старовинних блоків для звукових ефектів.
Векс почав створювати блоки ефектів для гітар Fuzz, щоб зробити звук гітарної музики чистим, з’єднавши в певному співвідношенні оригінальні блоки Fuzz. Він використовував ці транзистори, не перевіряючи їх потенціалу, щоб отримати найкращу комбінацію, спираючись виключно на удачу. У результаті він був змушений відмовитися від деяких транзисторів з-за їх невідповідного звучання і став виробляти гарні блоки Fuzz з германиевыми транзисторами на своєму заводі.
