ترانزیستورهای ژرمانیوم در دهه اول الکترونیک نیمه هادی قبل از جایگزینی گسترده با دستگاه های سیلیکونی مایکروویو از دوران شکوفایی خود لذت بردند. در این مقاله به این خواهیم پرداخت که چرا نوع اول ترانزیستورها هنوز هم عنصری مهم در صنعت موسیقی محسوب می شوند و برای علاقه مندان به صدای خوب از اهمیت بالایی برخوردار هستند.
تولد عنصر
ژرمانیوم توسط کلمنس و وینکلر در شهر فرایبرگ آلمان در سال 1886 کشف شد. وجود این عنصر توسط مندلیف پیش‌بینی شده بود که وزن اتمی آن را از قبل برابر با 71 و چگالی آن 5.5 گرم بر سانتی‌متر است3.
در اوایل پاییز 1885، یک معدنچی که در معدن نقره هیملسفورست در نزدیکی فرایبرگ کار می کرد، به طور تصادفی با یک سنگ معدن غیرعادی برخورد کرد. این ماده معدنی به آلبین ویزباخ از آکادمی معدنی نزدیک داده شد و او تأیید کرد که یک ماده معدنی جدید است. او به نوبه خود از همکار خود وینکلر خواست تا استخراج را تجزیه و تحلیل کند. وینکلر این را کشف کرداز عنصر شیمیایی یافت شده 75 درصد نقره، 18 درصد گوگرد است، دانشمند نتوانست ترکیب 7 درصد حجم باقیمانده یافته را تعیین کند.
در فوریه 1886، او متوجه شد که این عنصر فلز مانند جدیدی است. هنگامی که خواص آن آزمایش شد، مشخص شد که عنصر گم شده در جدول تناوبی است که در زیر سیلیکون قرار دارد. ماده معدنی که از آن منشاء گرفته است به نام آرژیرودیت شناخته می شود - Ag 8 GeS 6. در چند دهه، این عنصر اساس ترانزیستورهای ژرمانیوم برای صدا را تشکیل خواهد داد.
ژرمانیوم
در پایان قرن نوزدهم، ژرمانیوم برای اولین بار توسط شیمیدان آلمانی کلمنس وینکلر جدا و شناسایی شد. این ماده که به نام سرزمین وینکلر نامگذاری شده است، مدتهاست فلزی با رسانایی پایین در نظر گرفته شده است. این بیانیه در طول جنگ جهانی دوم تجدید نظر شد، زیرا در آن زمان بود که خواص نیمه هادی ژرمانیوم کشف شد. دستگاه های متشکل از ژرمانیوم در سال های پس از جنگ فراگیر شدند. در این زمان نیاز به تولید ترانزیستورهای ژرمانیومی و دستگاه های مشابه برآورده می شد. بنابراین، تولید ژرمانیوم در ایالات متحده از چند صد کیلوگرم در سال 1946 به 45 تن در سال 1960 افزایش یافت.
Chronicle
تاریخ ترانزیستورها در سال 1947 با آزمایشگاه های بل، واقع در نیوجرسی آغاز می شود. سه فیزیکدان برجسته آمریکایی در این فرآیند شرکت کردند: جان باردین (1908-1991)، والتر براتین (1902-1987) و ویلیام شاکلی (1910-1989).
تیم به رهبری شاکلی سعی کردند نوع جدیدی از تقویت کننده را برایسیستم تلفن ایالات متحده، اما آنچه آنها در واقع اختراع کردند بسیار جالب تر بود.
باردین و براتین اولین ترانزیستور را در سه شنبه ۱۶ دسامبر ۱۹۴۷ ساختند. به ترانزیستور تماس نقطه ای معروف است. شاکلی به سختی روی این پروژه کار کرد، بنابراین جای تعجب نیست که او از طرد شدن، آشفته و عصبانی بود. به زودی او به تنهایی نظریه ترانزیستور اتصال را شکل داد. این دستگاه از بسیاری جهات نسبت به ترانزیستور تماس نقطه ای برتری دارد.
تولد دنیای جدید
در حالی که باردین آزمایشگاه های بل را ترک کرد تا یک دانشگاهی شود (او در دانشگاه ایلینوی به تحصیل در مورد ترانزیستورها و ابررساناهای ژرمانیوم ادامه داد)، براتین قبل از اینکه به تدریس ادامه دهد، مدتی کار کرد. شاکلی شرکت تولید ترانزیستور خود را راه اندازی کرد و مکانی منحصر به فرد را ایجاد کرد - دره سیلیکون. این منطقه پر رونق در کالیفرنیا در اطراف پالو آلتو است که شرکت های بزرگ الکترونیک در آن قرار دارند. دو تن از کارمندان او، رابرت نویس و گوردون مور، اینتل، بزرگترین سازنده تراشه جهان را تأسیس کردند.
باردین، براتین و شاکلی در سال 1956 زمانی که بالاترین جایزه علمی جهان، جایزه نوبل فیزیک را برای کشف خود دریافت کردند، برای مدت کوتاهی دوباره با هم متحد شدند.
قانون ثبت اختراع
طراحی اصلی ترانزیستور نقطه تماس در یک حق اختراع ایالات متحده که توسط جان باردین و والتر براتین در ژوئن 1948 (حدود شش ماه پس از کشف اصلی) ثبت شد، مشخص شده است. ثبت اختراع صادر شده در 3 اکتبر 1950از سال. یک ترانزیستور ساده PN دارای یک لایه نازک بالای ژرمانیوم نوع P (زرد) و یک لایه پایینی از ژرمانیوم نوع N (نارنجی) بود. ترانزیستورهای ژرمانیوم دارای سه پایه بودند: امیتر (E، قرمز)، کلکتور (C، آبی)، و پایه (G، سبز).
به زبان ساده
اصل عملکرد تقویت کننده صدای ترانزیستوری واضح تر می شود اگر قیاسی با اصل عملکرد یک شیر آب داشته باشیم: امیتر یک خط لوله است و کلکتور یک شیر است. این مقایسه به توضیح نحوه عملکرد ترانزیستور کمک می کند.
بیایید تصور کنیم که ترانزیستور یک شیر آب است. جریان الکتریکی مانند آب عمل می کند. ترانزیستور دارای سه پایانه است: پایه، کلکتور و امیتر. پایه مانند دسته شیر آب کار می کند، کلکتور مانند آب جاری به داخل شیر آب و قطره چکان مانند سوراخی عمل می کند که آب از آن خارج می شود. با کمی چرخاندن دسته شیر آب می توانید جریان قدرتمند آب را کنترل کنید. اگر دستگیره شیر را کمی بچرخانید، سرعت جریان آب به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. اگر دسته شیر آب کاملا بسته باشد، آب جریان نخواهد داشت. اگر دستگیره را تا آخر بچرخانید، آب خیلی سریعتر جریان می یابد.
اصل عملیات
همانطور که قبلاً ذکر شد، ترانزیستورهای ژرمانیومی مدارهایی هستند که بر پایه سه تماس هستند: امیتر (E)، کلکتور (C) و پایه (B). پایه جریان از کلکتور به امیتر را کنترل می کند. جریانی که از کلکتور به امیتر می گذرد با جریان پایه متناسب است. جریان امیتر یا جریان پایه برابر با hFE است. این تنظیمات از یک مقاومت جمع کننده (RI) استفاده می کند. اگر جریان Ic از آن عبور کندRI، یک ولتاژ در سراسر این مقاومت تولید می شود که برابر با حاصلضرب Ic x RI است. این بدان معنی است که ولتاژ دو طرف ترانزیستور: E2 - (RI x Ic) است. Ic تقریبا برابر با Ie است، بنابراین اگر IE=hFE x IB، Ic نیز برابر با hFE x IB است. بنابراین، پس از تعویض، ولتاژ ترانزیستورها (E) E2 (RI x le x hFE) است.
توابع
تقویت کننده صوتی ترانزیستوری بر اساس عملکردهای تقویت و سوئیچینگ ساخته شده است. با در نظر گرفتن رادیو به عنوان مثال، سیگنال هایی که رادیو از جو دریافت می کند بسیار ضعیف هستند. رادیو این سیگنال ها را از طریق خروجی بلندگو تقویت می کند. این تابع "تقویت" است. بنابراین، به عنوان مثال، ترانزیستور ژرمانیوم gt806 برای استفاده در دستگاه های پالس، مبدل ها و تثبیت کننده های جریان و ولتاژ در نظر گرفته شده است.
برای رادیو آنالوگ، تنها با تقویت سیگنال، بلندگوها صدا تولید می کنند. با این حال، برای دستگاه های دیجیتال، شکل موج ورودی باید تغییر کند. برای یک دستگاه دیجیتال مانند کامپیوتر یا پخش کننده MP3، ترانزیستور باید حالت سیگنال را به 0 یا 1 تغییر دهد. این "عملکرد سوئیچینگ" است
می توانید اجزای پیچیده تری به نام ترانزیستور پیدا کنید. ما در مورد مدارهای مجتمع ساخته شده از نفوذ سیلیکون مایع صحبت می کنیم.
دره سیلیکون شوروی
در زمان شوروی، در اوایل دهه 60، شهر Zelenograd به سکوی پرشی برای سازماندهی مرکز میکروالکترونیک در آن تبدیل شد. مهندس شوروی Shchigol F. A. ترانزیستور 2T312 و آنالوگ آن 2T319 را توسعه می دهد که بعداً تبدیل شد.جزء اصلی مدارهای هیبریدی این مرد بود که پایه و اساس تولید ترانزیستورهای ژرمانیوم را در اتحاد جماهیر شوروی بنا نهاد.
در سال 1964، کارخانه Angstrem، بر اساس مؤسسه تحقیقاتی فناوری های دقیق، اولین مدار مجتمع IC-Path را با 20 عنصر روی یک تراشه ایجاد کرد که وظیفه ترکیبی از ترانزیستورها با اتصالات مقاومتی را انجام می دهد.. در همان زمان، فناوری دیگری ظاهر شد: اولین ترانزیستورهای تخت "Plane" راه اندازی شد.
در سال 1966، اولین ایستگاه آزمایشی برای تولید مدارهای مجتمع تخت در پژوهشکده پولسار شروع به کار کرد. در NIIME، گروه دکتر ولیف شروع به تولید مقاومت های خطی با مدارهای مجتمع منطقی کرد.
در سال 1968، مؤسسه تحقیقاتی Pulsar اولین قسمت از آی سی های هیبریدی ترانزیستور تخت لایه نازک KD910، KD911، KT318 را تولید کرد که برای ارتباطات، تلویزیون و پخش رادیویی طراحی شده اند.
ترانزیستورهای خطی با آی سی های دیجیتال با کاربرد انبوه (نوع 155) در مؤسسه تحقیقاتی DOE توسعه یافتند. در سال 1969، فیزیکدان شوروی، ژ. آی. آلفروف، نظریه کنترل شارهای الکترون و نور در ساختارهای ناهمگن را بر اساس سیستم آرسنید گالیوم به جهان کشف کرد.
گذشته در مقابل آینده
اولین ترانزیستورهای سریال بر پایه ژرمانیوم ساخته شدند. ژرمانیوم نوع P و نوع N به یکدیگر متصل شدند تا یک ترانزیستور اتصالی را تشکیل دهند.
شرکت آمریکایی Fairchild Semiconductor فرآیند مسطح را در دهه 1960 اختراع کرد. اینجا برای تولید ترانزیستور باسیلیکون و فوتولیتوگرافی برای بهبود تکرارپذیری در مقیاس صنعتی استفاده شده است. این منجر به ایده مدارهای مجتمع شد.
تفاوت های قابل توجه بین ترانزیستورهای ژرمانیوم و سیلیکون به شرح زیر است:
- ترانزیستورهای سیلیکونی بسیار ارزان تر هستند؛
- ترانزیستور سیلیکونیدارای ولتاژ آستانه ۰.۷ ولت است در حالی که ژرمانیوم دارای ولتاژ آستانه ۰.۳ ولت است؛
- سیلیکون دمای حدود 200 درجه سانتیگراد را تحمل می کند، ژرمانیوم 85 درجه سانتیگراد؛
- جریان نشت سیلیکون بر حسب nA، برای ژرمانیوم با میلی آمپر اندازه گیری می شود؛
- PIV Si بزرگتر از Ge است؛
- Ge می تواند تغییرات کوچک در سیگنال ها را تشخیص دهد، از این رو آنها "موسیقی ترین" ترانزیستورها به دلیل حساسیت بالا هستند.
صوت
برای دریافت صدای باکیفیت در تجهیزات صوتی آنالوگ، باید تصمیم بگیرید. چه چیزی را انتخاب کنید: مدارهای مجتمع مدرن (IC) یا ULF در ترانزیستورهای ژرمانیومی؟
در روزهای اولیه ترانزیستورها، دانشمندان و مهندسان بر سر موادی که زیربنای این دستگاه ها هستند، بحث می کردند. در میان عناصر جدول تناوبی، برخی رسانا و برخی دیگر عایق هستند. اما برخی از عناصر دارای ویژگی جالبی هستند که به آنها اجازه می دهد نیمه هادی نامیده شوند. سیلیکون یک نیمه هادی است و تقریباً در تمام ترانزیستورها و مدارهای مجتمعی که امروزه تولید می شوند استفاده می شود.
اما قبل از اینکه سیلیکون به عنوان ماده مناسب برای ساخت ترانزیستور استفاده شود، ژرمانیوم جایگزین آن شد.مزیت سیلیکون نسبت به ژرمانیوم عمدتاً به دلیل بهره بالاتری است که می توان به دست آورد.
اگرچه ترانزیستورهای ژرمانیومی از سازندگان مختلف اغلب ویژگی های متفاوتی با یکدیگر دارند، برخی از انواع آن صدایی گرم، غنی و پویا تولید می کنند. صداها می توانند از ترد و ناهموار تا خفه و مسطح با در میان باشد. بدون شک، چنین ترانزیستوری به عنوان یک دستگاه تقویت کننده مستحق مطالعه بیشتر است.
توصیه برای اقدام
خرید اجزای رادیویی فرآیندی است که در آن می توانید هر چیزی را که برای کار خود نیاز دارید پیدا کنید. کارشناسان چه می گویند؟
به گفته بسیاری از رادیو آماتورها و خبره های صدای با کیفیت، سری های P605، KT602، KT908 به عنوان موزیکال ترین ترانزیستورها شناخته می شوند.
برای تثبیت کننده ها، بهتر است از سری های AD148، AD162 زیمنس، فیلیپس، تلهفونکن استفاده کنید.
با قضاوت بر اساس بررسی ها، قدرتمندترین ترانزیستورهای ژرمانیومی - GT806، در مقایسه با سری P605 برنده است، اما از نظر فرکانس تایم، بهتر است به دومی ترجیح داده شود. شایان ذکر است که به نوع KT851 و KT850 و همچنین ترانزیستور اثر میدان KP904 توجه کنید.
انواع P210 و ASY21 توصیه نمی شوند زیرا در واقع ویژگی های صدای ضعیفی دارند.
Guitars
اگرچه مارک های مختلف ترانزیستورهای ژرمانیومی ویژگی های متفاوتی دارند، اما می توان از همه آنها برای ایجاد صدایی پویا، غنی تر و لذت بخش تر استفاده کرد. آنها می توانند به تغییر صدای گیتار کمک کننددر طیف وسیعی از صداها، از جمله شدید، بی صدا، خشن، صاف تر، یا ترکیبی از اینها. در برخی از دستگاه ها، به طور گسترده ای برای دادن موسیقی گیتار به نواختن عالی، صدای بسیار ملموس و ملایم استفاده می شود.
عیب عمده ترانزیستورهای ژرمانیومی چیست؟ البته رفتار غیر قابل پیش بینی آنها. به گفته کارشناسان، خرید بزرگ قطعات رادیویی، یعنی خرید صدها ترانزیستور ضروری است تا پس از آزمایش های مکرر، ترانزیستور مناسب خود را پیدا کنید. این نقص توسط مهندس استودیو و نوازنده Zachary Vex هنگام جستجوی بلوک های جلوه های صوتی قدیمی شناسایی شد.
Vex شروع به ایجاد واحدهای جلوه های گیتار Fuzz کرد تا صدای موسیقی گیتار را با مخلوط کردن واحدهای اصلی Fuzz در نسبت های خاص واضح تر کند. او از این ترانزیستورها بدون آزمایش پتانسیل آنها برای به دست آوردن بهترین ترکیب و تنها با اتکا به شانس استفاده کرد. در نهایت، او مجبور شد برخی از ترانزیستورها را به دلیل صدای نامناسب آنها رها کند و شروع به تولید بلوک های Fuzz خوب با ترانزیستورهای ژرمانیومی در کارخانه خود کرد.
