Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа десятая ТРАНЗИСТОР

Незнайкин. — Мне представляется очень сложным строение этих полупроводников, которые вместе со своими трехвалентными и пятивалентными примесями образуют положительные и отрицательные зоны n-р перехода. Необходимо учитывать атомы примесей, ионизированные положительно и отрицательно, атомы самого полупроводника, которые, потеряв электрон, стали положительными дырками, и, наконец, свободные электроны. При приложении напряжения, порождающего электрический ток, начинается сложное движение этих частиц.

Любознайкин. — Успокойся, дорогой друг. В действительности прохождение тока не вызывает практически никакого перемещения атомов. Движутся только электроны, как это происходит в проводниках. Не забывай, что атомы наших полупроводников образуют кристаллическую решетку и поэтому прочно закреплены на своих местах.

Н. — Тогда я не понимаю, что сказал мне твой дядюшка, когда объяснял, как на n-р переходах изменяется плотность ионизированных атомов акцепторов и доноров в зависимости от того, находятся ли они ближе к переходу или дальше от него. Как может изменяться плотность, если эти атомы не движутся?

Л. — Очень просто, благодаря перемещению электронов, которые покидают большее или меньшее количество атомов-доноров, расположенных в одном месте, чтобы занять место на внешней оболочке атомов-акцепторов, расположенных в другом месте. И когда мы говорим, что дырка (т. е. атом, ставший положительным из-за недостатка одного электрона) перемещается от положительного полюса к отрицательному, то на самом деле речь идет не о перемещении атома, а о последовательной цепочке перемещений электронов от одного атома к другому, расположенному ближе к положительному полюсу.

Таким образом, дырка образуется на одном атоме, затем на соседнем с ним, расположенном ближе к отрицательному полюсу, затем на соседнем уже с этим и т. д. в направлении к отрицательному полюсу.

Н. — Ты меня успокоил, Любознайкин. Значит, действительно перемещаются только электроны. И благодаря движению электронов изменяются заряды некоторых атомов, которые перестают быть нейтральными и становятся положительными, если они теряют электрон, или отрицательными, если они получают лишний электрон.

Л. — С удовольствием отмечаю, что ты хорошо усвоил, что происходит на переходе. Это позволяет мне соединить два перехода, чтобы получить транзистор.

Н. — Я не очень хорошо представляю, как ты соединишь два перехода.

Л. — Это несложно. Возьми два противоположно направленных перехода, например р-n переход и n-р переход, и сделай общей их зону n. Таким образом получишь транзистор типа р-n-р. Средняя часть, в данном случае зона n, должна быть очень тонкой. Она называется базой. Одна из крайних зон р называется эмиттером, а другая — коллектором.

Н. — Очень красивые названия. Однако, на мой взгляд, конструкция лишена какого бы то ни было смысла. Твой транзистор представляет превосходное препятствие для прохождения тока. Ты установил два диода, включив их в противоположных направлениях. Каждый из них пропускает ток только в одном направлении. А при таком расположении направления проводимости диодов ориентированы в разные стороны (рис. 124). Ты можешь сколько угодно прилагать между своими эмиттером и коллектором отрицательно-положительный или положительно-отрицательный потенциал, все равно тока не будет.

Рис. 124. Распределение электронов, дырок и ионизированных атомов во всех трех зонах транзистора до приложения к нему напряжения.

Л. — Совершенно с тобой согласен. Но посмотрим, что произойдет, если одновременно приложить еще одно напряжение между базой и эмиттером. Подключим батарею напряжением в несколько вольт положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным — к коллектору. Возьмем другую батарею с еще более низким напряжением и подключим ее между эмиттером, с которым соединим положительный полюс, и базой, с которой соединим отрицательный полюс (рис. 125). Что же теперь произойдет, Незнайкин?

Рис. 125. Движение носителей зарядов в транзисторе типа р-n-р под воздействием напряжений.

Н. — Ток потечет от эмиттера к базе, так как вторая батарея включена так, что электроны могут проходить через р-n переход. Но я не вижу, что может дать батарея, включенная между эмиттером и коллектором.

Л. — Будучи заряженной отрицательно, база притянет из эмиттера немалое количество положительных дырок. Небольшая часть этих дырок пойдет к отрицательному полюсу батареи, пройдет через нее и через другой полюс вернется в эмиттер, тогда как в противоположном направлении будут двигаться электроны. Это образует небольшой ток I_б (эмиттер — база). Но не забывай, что база очень тонкая. Поэтому основная часть положительных дырок, которые проникли в базу из эмиттера, продолжит свой путь и войдет в коллектор. А эта зона, будучи заряженной отрицательно, как раз и притянет эти дырки, которые, как ты, вероятно, помнишь, представляют собой положительные заряды.

Н. — Теперь я понимаю, что небольшой ток I_б порождает больший ток, протекающий от эмиттера через базу к коллектору.

Л. — Действительно, ток базы I_б обычно не превышает нескольких десятков или сотен микроампер, тогда как ток коллектора I_к достигает нескольких миллиампер или даже нескольких десятков миллиампер. А в мощных транзисторах он еще больше. Но прежде чем рассматривать его цифровые значения, я хотел бы посмотреть, не сможешь ли ты сам проанализировать работу транзистора n-р-n, имеющего обратные полярности по сравнению с только что изученным нами транзистором р-n-р.

Н. — Попытаюсь. В отсутствие напряжения эмиттер из полупроводника типа и будет иметь больше свободных электронов на своем свободном конце, тогда как на стороне перехода с базой выше будет плотность положительных ионов. Поэтому в самой базе поблизости от этого перехода будут преобладать отрицательные ионы. На переходе между базой и коллектором заряды будут располагаться симметрично. В середине же базы будут преобладать дырки, так как у расположенных там атомов электроны сорваны атомами, находящимися около обоих переходов (рис. 126).

Рис. 126. Транзистор типа n-р-n.

Л. — Все это совершенно верно. Я вижу, что ты хорошо знаешь распределение различных зарядов на переходах. А теперь доставь мне удовольствие, приложив напряжения на все три электрода транзистора.

Н. — Отрицательный полюс батареи я соединяю с эмиттером, а положительный — с коллектором. Еще меньшее напряжение другой батареи я прилагаю положительным полюсом к базе, а отрицательным — к эмиттеру (рис. 127).

Рис. 127. Притягивая электроны от эмиттера к базе, напряжение источника E_{э. б} открывает им путь в коллектор.

Л. — Что же произойдет?

Н. — Напряжение между эмиттером и базой и в этом случае приложено в проводящем направлении. Значит, свободные электроны устремятся от эмиттера к базе. Некоторые из них пойдут к положительному полюсу источника питания, пройдут через него и вернутся к эмиттеру. Они определяют ток базы. Но и здесь он будет малым. Вследствие исключительно малой толщины базы основная часть электронов, устремляющихся от эмиттера в базу, преодолеет и второй переход; это облегчается тем, что они притягиваются положительным потенциалом, приложенным к коллектору. Они войдут в коллектор, покинут его и направятся к положительному полюсу батареи Е_{э. к}, чтобы, пройдя через нее, вернуться, наконец, к эмиттеру.

Л. — Браво, Незнайкин! Ты мог бы еще добавить, что в это же время положительные дырки, которые до приложения напряжения находились в середине базы, устремятся к эмиттеру, притягиваемые его отрицательным потенциалом.

Н. — Как изменяется ток коллектора в зависимости от изменения тока базы?

Л. — Можно сказать, что I_к практически пропорционален I_б. Кривая, которую я тебе показываю, представляет собой почти прямую линию (рис. 128).

Рис. 128. Кривая напряжения тока коллектора I_к в зависимости от изменения тока базы I_б.

Как видишь, когда ток базы увеличивается на 100 мкА, ток коллектора возрастает на 3 мА, т. е. в 30 раз больше. Однако еще большее впечатление производят кривые, показывающие изменение тока коллектора I_к в зависимости от изменения напряжения эмиттер — база U_{э. б} (рис. 129).

Рис. 129. Изменение тока коллектора I_к в зависимости от изменения напряжения U_{э. б}, приложенного между эмиттером и базой.

На кривой, которую я для тебя начертил, видно, что, когда напряжение U_{э. к} увеличивается со 100 до 150 мВ, ток I_к повышается с 4 до 10 мА. Иначе говоря, при изменении напряжения базы на 50 мВ ток возрастает на 6 мА.

Н. — Для расчета крутизны надо 6 мА разделить на 50 мВ, или 1/20 В; получим 120 мА/В — это просто колоссально!

Л. — Не очень, так как имеются транзисторы с крутизной 300 мА/В и даже больше.

Н. — Что меня сейчас больше всего поражает, так это глубокая аналогия между транзистором и лампой-триодом. Эмиттер соответствует катоду, сетка — базе, а коллектор — аноду.

Л. — Действительно, если в лампе малые изменения потенциала сетки вызывают значительные изменения анодного тока, то и здесь, немного изменяя потенциал базы, можно сильно изменять ток коллектора.

Ты догадываешься, что вход транзистора образуется базой и эмиттером. Между этими двумя электродами прилагают подлежащие усилению переменные токи. Выход же транзистора образуется между коллектором и эмиттером, так как между ними протекает усиленный ток.

Н. — Не мог бы ты показать мне схему усилительного каскада на транзисторе? Прежде покажи условное графическое обозначение транзистора.

Л. — В связи с существованием двух типов транзисторов должно быть и два условных обозначения. База изображается вертикальной линией; эмиттер обозначается в виде стрелки, направленной к базе в транзисторе типа р-n-р и направленной от базы в транзисторе типа n-р-n (рис. 130).

Рис. 130. Условные графические обозначения транзисторов.

Н. — Эта стрелка, если я правильно понимаю, показывает условное направление электрического тока, т. е. от положительного полюса к отрицательному.

Л. — Совершенно верно. Коллектор же обозначается прямой линией, подходящей, как и стрелка эмиттера, к базе. Принятое условное обозначение верно отражает историческую действительность. Самые первые транзисторы, сделанные в 1948 г., не имели настоящих переходов. Эмиттер и коллектор этих транзисторов представляли собой металлические острия, опиравшиеся на кристалл германия (базу).

Л. — А вот общая схема усилительного каскада (рис. 131).

Рис. 131. Общая схема усилительного каскада на транзисторе.

В этой схеме переменное напряжение на входе обозначено буквой u. Усиленное напряжение, получаемое на выходе при прохождении коллекторного тока по нагрузочному резистору R₃, обозначено буквой U. Его пропускают через конденсатор связи С.

Н. — А для чего служат резисторы R₁ и R₂, которые соединены последовательно и подключены к обоим полюсам батареи Е_{э. к}?

Л. — Эти два резистора образуют делитель напряжения. Следовательно, их общая точка обладает меньшим потенциалом, чем вся батарея. Таким образом, база транзистора, соединенная с этой общей точкой (через источник переменного напряжения), оказывается заряженной отрицательно по отношению к эмиттеру, который непосредственно соединен с положительным полюсом батареи.

Н. — Совсем не глупо! Так можно обойтись без батареи, служившей для подачи смещения на базу. А какое сопротивление должны иметь резисторы, образующие делитель напряжения?

Л. — Необходимо получить смещение, достаточное для того, чтобы рабочая точка на характеристике, показывающей изменение тока коллектора I_к в зависимости от потенциала базы U_{э. б}, находилась в правой части и достаточно далеко от нижнего изгиба, чтобы изменения напряжения, приложенного между эмиттером и базой, не достигали этого участка кривой. Таким образом предотвращают возникновение искажений.

На практике смещение должно представлять собой небольшую часть напряжения батареи. Поэтому резистор R₁ имеет сопротивление всего несколько ом, тогда как резистор R₂ должен иметь сопротивление, в 30–50 раз большее.

Н. — Сходство между транзистором и лампой-триодом еще большее, нежели я думал. В лампе-триоде смещение на сетке осуществляется падением напряжения на резисторе. Здесь смещение на базе также получается благодаря падению напряжения на резисторе R₁.

Л. — Мне надлежит предостеречь тебя от некоторого преувеличений в отношении их сходства. Между вакуумной лампой и транзистором есть и немало очень важных различий. Прежде всего вспомни о существовании тока, идущего от эмиттера к базе внутри транзистора и возвращающегося по внешней цепи к эмиттеру, как это происходит в транзисторах типа n-р-n, или идущего в обратном направлении в транзисторах типа р-n-р. В обоих случаях ток базы не превышает несколько сотен микроампер. Это означает, что…

Н. — …этим транзистор отличается от лампы-триода, в которой не должно быть сеточного тока. Смещение на сетку подается как раз для того, чтобы предотвратить полностью возникновение этого тока.

Л. — Пойми, Незнайкин, что для порождения тока базы приложенный на вход переменный ток должен израсходовать некоторую мощность. А она, как ты помнишь, есть произведение напряжения на ток.

Н. — Я думаю о другом аспекте этого явления. Раз напряжение, приложенное между базой и эмиттером, порождает ток, значит, с помощью закона Ома можно рассчитать сопротивление входа транзистора.

Л. — Действительно. И таким способом можно убедиться, что входное сопротивление составляет всего лишь несколько сотен ом. Ты видишь, насколько транзистор отличается от вакуумного триода и других усилительных ламп, где вход имеет бесконечно большое сопротивление, в связи с чем сеточный ток отсутствует.

Н. — А какое сопротивление имеет транзистор между эмиттером и коллектором?

Л. — Это сопротивление следует рассматривать как выходное. Оно составляет несколько килоом.

Н. — Я думаю, что сопротивление нагрузочного резистора, включенного в цепь коллектора, определяется с учетом выходного сопротивления транзистора.

Л. — Само собой разумеется. Его не следует делать слишком высоким, чтобы переменное напряжение, возникающее между его выводами, своими пиками не изменяло на обратную полярность потенциала, приложенного к коллектору.

Н. — Я начинаю спрашивать себя, Любознайкин, не сложнее ли использовать транзисторы, чем лампы?

Л. — Нет, успокойся. Об этом мы поговорим во время нашей следующей встречи. На сегодня, мне кажется, я уже достаточно насытил твой мозг. Поэтому давай прервем нашу беседу.