Germanium-transistoren beleefden hun hoogtijdagen tijdens het eerste decennium van halfgeleiderelektronica voordat ze op grote schaal werden vervangen door microgolf-siliciumapparaten. In dit artikel zullen we bespreken waarom het eerste type transistors nog steeds wordt beschouwd als een belangrijk element in de muziekindustrie en van groot belang is voor kenners van goed geluid.
De geboorte van het element
Germanium werd in 1886 ontdekt door Clemens en Winkler in de Duitse stad Freiberg. Het bestaan van dit element werd voorspeld door Mendelejev, die het atoomgewicht van tevoren had ingesteld op 71 en de dichtheid van 5,5 g/cm3.
In de vroege herfst van 1885 stuitte een mijnwerker in de zilvermijn Himmelsfürst bij Freiberg op een ongewoon erts. Het werd gegeven aan Albin Weisbach van de nabijgelegen Mijnbouwacademie, die bevestigde dat het een nieuw mineraal was. Hij vroeg op zijn beurt zijn collega Winkler om de extractie te analyseren. Winkler ontdekte datvan het gevonden chemische element is 75% zilver, 18% zwavel, de wetenschapper kon de samenstelling van het resterende 7% volume van de vondst niet bepalen.
In februari 1886 realiseerde hij zich dat dit een nieuw metaalachtig element was. Toen de eigenschappen werden getest, werd duidelijk dat dit het ontbrekende element was in het periodiek systeem, dat zich onder silicium bevindt. Het mineraal waaruit het is ontstaan, staat bekend als argyrodiet - Ag 8 GeS 6. Over enkele decennia zal dit element de basis vormen van germaniumtransistoren voor geluid.
Germanium
Aan het einde van de 19e eeuw werd germanium voor het eerst geïsoleerd en geïdentificeerd door de Duitse chemicus Clemens Winkler. Dit materiaal, genoemd naar het thuisland van Winkler, werd lange tijd beschouwd als een metaal met een lage geleidbaarheid. Deze verklaring werd tijdens de Tweede Wereldoorlog herzien, omdat toen de halfgeleidereigenschappen van germanium werden ontdekt. Apparaten bestaande uit germanium werden in de naoorlogse jaren wijdverbreid. Op dit moment was het noodzakelijk om te voldoen aan de behoefte aan de productie van germaniumtransistors en soortgelijke apparaten. Zo groeide de productie van germanium in de Verenigde Staten van een paar honderd kilogram in 1946 tot 45 ton in 1960.
Kroniek
De geschiedenis van transistors begint in 1947 met Bell Laboratories, gevestigd in New Jersey. Drie briljante Amerikaanse natuurkundigen namen deel aan het proces: John Bardeen (1908-1991), W alter Brattain (1902-1987) en William Shockley (1910-1989).
Het team onder leiding van Shockley probeerde een nieuw type versterker te ontwikkelen voorAmerikaans telefoonsysteem, maar wat ze eigenlijk uitvonden, bleek veel interessanter.
Bardeen en Brattain bouwden de eerste transistor op dinsdag 16 december 1947. Het staat bekend als de puntcontacttransistor. Shockley werkte hard aan het project, dus het is geen verrassing dat hij zenuwachtig en boos was omdat hij werd afgewezen. Al snel vormde hij in zijn eentje de theorie van de junctietransistor. Dit apparaat is in veel opzichten superieur aan de puntcontacttransistor.
De geboorte van een nieuwe wereld
Terwijl Bardeen Bell Labs verliet om academicus te worden (hij studeerde verder germaniumtransistors en supergeleiders aan de Universiteit van Illinois), werkte Brattain een tijdje voordat hij les ging geven. Shockley begon zijn eigen productiebedrijf voor transistors en creëerde een unieke plek - Silicon Valley. Dit is een bloeiend gebied in Californië rond Palo Alto waar grote elektronicabedrijven zijn gevestigd. Twee van zijn medewerkers, Robert Noyce en Gordon Moore, hebben Intel opgericht, 's werelds grootste chipmaker.
Bardeen, Brattain en Shockley herenigden zich in 1956 voor een korte tijd toen ze 's werelds hoogste wetenschappelijke onderscheiding, de Nobelprijs voor natuurkunde, ontvingen voor hun ontdekking.
Octrooirecht
Het oorspronkelijke ontwerp van de puntcontacttransistor wordt beschreven in een Amerikaans patent ingediend door John Bardeen en W alter Brattain in juni 1948 (ongeveer zes maanden na de oorspronkelijke ontdekking). Octrooi verleend op 3 oktober 1950van het jaar. Een eenvoudige PN-transistor had een dunne bovenlaag van P-type germanium (geel) en een onderlaag van N-type germanium (oranje). Germaniumtransistors hadden drie pinnen: emitter (E, rood), collector (C, blauw) en basis (G, groen).
In eenvoudige bewoordingen
Het werkingsprincipe van een transistorgeluidsversterker zal duidelijker worden als we een analogie trekken met het werkingsprincipe van een waterkraan: de emitter is een pijpleiding en de collector is een kraan. Deze vergelijking helpt verklaren hoe een transistor werkt.
Laten we ons voorstellen dat de transistor een waterkraan is. Elektrische stroom werkt als water. De transistor heeft drie aansluitingen: basis, collector en emitter. De basis werkt als een kraanhandvat, de collector werkt als water dat in de kraan loopt en de emitter werkt als een gat waaruit water stroomt. Door de hendel van de kraan iets te draaien, regel je de krachtige waterstroom. Als u de hendel van de kraan een beetje draait, neemt de waterstroom aanzienlijk toe. Als de kraanhendel volledig gesloten is, zal er geen water stromen. Als je de knop helemaal draait, zal het water veel sneller stromen.
Werkingsprincipe
Zoals eerder vermeld, zijn germaniumtransistors circuits die zijn gebaseerd op drie contacten: emitter (E), collector (C) en basis (B). De basis regelt de stroom van de collector naar de emitter. De stroom die van de collector naar de emitter loopt, is evenredig met de basisstroom. De emitterstroom, of basisstroom, is gelijk aan hFE. Deze opstelling maakt gebruik van een collectorweerstand (RI). Als de huidige Ic doorstroomtRI, over deze weerstand wordt een spanning gegenereerd die gelijk is aan het product van Ic x RI. Dit betekent dat de spanning over de transistor is: E2 - (RI x Ic). Ic is ongeveer gelijk aan Ie, dus als IE=hFE x IB, dan is Ic ook gelijk aan hFE x IB. Daarom is de spanning over de transistoren (E) na de vervanging E2 (RI x le x hFE).
Functies
De transistor-audioversterker is gebouwd op versterkings- en schakelfuncties. Als we de radio als voorbeeld nemen, zijn de signalen die een radio uit de atmosfeer ontvangt extreem zwak. De radio versterkt deze signalen via de luidsprekeruitgang. Dit is de "boost"-functie. Zo is bijvoorbeeld de germaniumtransistor gt806 bedoeld voor gebruik in pulsapparaten, omvormers en stroom- en spanningsstabilisatoren.
Voor analoge radio zorgt het simpelweg versterken van het signaal ervoor dat de luidsprekers geluid produceren. Voor digitale apparaten moet de ingangsgolfvorm echter worden gewijzigd. Voor een digitaal apparaat zoals een computer of mp3-speler moet de transistor de signaalstatus naar 0 of 1 schakelen. Dit is de "schakelfunctie"
Je kunt meer complexe componenten vinden die transistors worden genoemd. We hebben het over geïntegreerde schakelingen gemaakt van infiltratie van vloeibaar silicium.
Sovjet-Silicon Valley
In de Sovjettijd, in de vroege jaren 60, werd de stad Zelenograd een springplank voor de organisatie van het Micro-elektronicacentrum daarin. Sovjet-ingenieur Shchigol F. A. ontwikkelt de 2T312-transistor en de analoge 2T319, die laterhoofdbestanddeel van hybride circuits. Het was deze man die de basis legde voor de productie van germaniumtransistors in de USSR.
In 1964 creëerde de Angstrem-fabriek, op basis van het Research Institute of Precision Technologies, de eerste IC-Path-geïntegreerde schakeling met 20 elementen op een chip, die de taak van een combinatie van transistors met resistieve verbindingen uitvoert. Tegelijkertijd verscheen een andere technologie: de eerste platte transistors "Plane" werden gelanceerd.
In 1966 begon het eerste experimentele station voor de productie van platte geïntegreerde schakelingen in het Pulsar Research Institute. Bij NIIME begon de groep van Dr. Valiev met de productie van lineaire weerstanden met logische geïntegreerde schakelingen.
In 1968 produceerde het Pulsar Research Institute het eerste deel van KD910, KD911, KT318 dunne-film open-frame platte transistor hybride IC's, die zijn ontworpen voor communicatie, televisie en radio-uitzendingen.
Lineaire transistors met massaal gebruik van digitale IC's (type 155) werden ontwikkeld door het DOE Research Institute. In 1969 ontdekte de Sovjet-fysicus Zh. I. Alferov de wereld de theorie van het regelen van elektronen- en lichtstromen in heterostructuren op basis van het galliumarsenidesysteem.
Verleden versus toekomst
De eerste seriële transistors waren gebaseerd op germanium. P-type en N-type germanium werden met elkaar verbonden om een junctietransistor te vormen.
Het Amerikaanse bedrijf Fairchild Semiconductor vond het planaire proces in de jaren zestig uit. Hier voor de productie van transistors metsilicium en fotolithografie zijn gebruikt voor verbeterde reproduceerbaarheid op industriële schaal. Dit leidde tot het idee van geïntegreerde schakelingen.
Aanzienlijke verschillen tussen germanium- en siliciumtransistors zijn als volgt:
- siliciumtransistors zijn veel goedkoper;
- siliciumtransistor heeft een drempelspanning van 0,7V, terwijl germanium een drempelspanning heeft van 0,3V;
- silicium weerstaat temperaturen rond 200°C, germanium 85°C;
- siliciumlekstroom wordt gemeten in nA, voor germanium in mA;
- PIV Si is groter dan Ge;
- Ge kan kleine veranderingen in signalen detecteren en daarom zijn het de meest "muzikale" transistors vanwege hun hoge gevoeligheid.
Audio
Om geluid van hoge kwaliteit te krijgen op analoge audioapparatuur, moet je beslissen. Wat te kiezen: moderne geïntegreerde schakelingen (IC's) of ULF op germaniumtransistors?
In de begintijd van transistors maakten wetenschappers en ingenieurs ruzie over het materiaal dat aan de basis zou liggen van de apparaten. Onder de elementen van het periodiek systeem zijn sommige geleiders, andere zijn isolatoren. Maar sommige elementen hebben een interessante eigenschap waardoor ze halfgeleiders kunnen worden genoemd. Silicium is een halfgeleider en wordt gebruikt in bijna alle transistors en geïntegreerde schakelingen die tegenwoordig worden vervaardigd.
Maar voordat silicium werd gebruikt als een geschikt materiaal voor het maken van een transistor, werd het vervangen door germanium. Het voordeel van silicium ten opzichte van germanium was voornamelijk te danken aan de hogere winst die kon worden behaald.
Hoewel germaniumtransistors van verschillende fabrikanten vaak verschillende kenmerken van elkaar hebben, wordt aangenomen dat sommige typen een warm, rijk en dynamisch geluid produceren. Geluiden kunnen variëren van knapperig en ongelijk tot gedempt en vlak met ertussenin. Ongetwijfeld verdient zo'n transistor verdere studie als versterker.
Advies voor actie
Het kopen van radiocomponenten is een proces waarin je alles kunt vinden wat je nodig hebt voor je werk. Wat zeggen de experts?
Volgens veel radioamateurs en kenners van hoogwaardig geluid worden de P605-, KT602- en KT908-series erkend als de meest muzikale transistors.
Voor stabilisatoren is het beter om de AD148, AD162 serie van Siemens, Philips, Telefunken te gebruiken.
Afgaand op de recensies, de krachtigste van de germaniumtransistors - GT806, wint hij in vergelijking met de P605-serie, maar in termen van timbrefrequentie is het beter om de voorkeur te geven aan de laatste. Het is de moeite waard om aandacht te besteden aan het type KT851 en KT850, evenals de veldeffecttransistor KP904.
P210- en ASY21-types worden niet aanbevolen omdat ze eigenlijk slechte geluidskenmerken hebben.
Gitaren
Hoewel verschillende merken germaniumtransistors verschillende kenmerken hebben, kunnen ze allemaal worden gebruikt om een dynamisch, rijker en aangenamer geluid te creëren. Ze kunnen helpen het geluid van een gitaar te veranderenin een breed scala aan tonen, waaronder intens, gedempt, hard, zachter of een combinatie hiervan. In sommige apparaten worden ze veel gebruikt om gitaarmuziek een geweldig spel, extreem tastbaar en zacht geluid te geven.
Wat is het grootste nadeel van germaniumtransistors? Natuurlijk, hun onvoorspelbare gedrag. Volgens experts zal het nodig zijn om een grootse aankoop van radiocomponenten uit te voeren, dat wil zeggen honderden transistors te kopen om na herhaald testen de juiste voor u te vinden. Deze tekortkoming werd ontdekt door studio-ingenieur en muzikant Zachary Vex tijdens het zoeken naar vintage geluidseffectenblokken.
Vex begon met het maken van Fuzz-gitaareffectunits om gitaarmuziek helderder te laten klinken door de originele Fuzz-units in bepaalde verhoudingen te mixen. Hij gebruikte deze transistors zonder hun potentieel te testen om de beste combinatie te krijgen, alleen vertrouwend op geluk. Uiteindelijk zag hij zich genoodzaakt enkele transistors te verlaten vanwege hun ongeschikte geluid en begon hij in zijn fabriek goede Fuzz-blokken met germaniumtransistors te produceren.
