Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа одиннадцатая ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Незнайкин. — Твой дядюшка упомянул о существовании полевых транзисторов. Я предполагаю, что в этих приборах полупроводниковый кристалл помещен в катушку, магнитное поле которой воздействует на…

Любознайкин. — Нет, мой дорогой друг. В основу работы полевого транзистора положено воздействие на кристалл электрического поля. Транзистор этого типа совершенно не похож на те, которые мы изучали до сих пор. В частности, у него нет таких зон, как эмиттер, база и коллектор.

Полевой транзистор выполнен из полупроводниковой пластинки чаще всего n типа, в средней части которой имеются вырезы, значительно уменьшающие ее толщину. В образовавшиеся углубления помещен электрод, создающий электрическое поле. При использовании полупроводника типа n это поле должно быть отрицательным, чтобы противодействовать прохождению электронов, движение которых вызвано напряжением, приложенным к концам полупроводниковой пластинки.

Н. — Если я правильно понял, это отрицательное поле как бы душит пучок электронов, продвигающихся от отрицательного конца полупроводника к положительному (рис. 138).

Рис. 138. Полевой транзистор из полупроводника типа n.

Л. — Именно в этом суть полевого транзистора. Усиление в нем происходит за счет воздействия поля на поток электронов. Подлежащие усилению переменные напряжения прилагаются между электродами, создающими электрическое поле, и одним из концов полупроводниковой пластинки. Это служит входом, а выход образуется между концами полупроводниковой пластинки.

Н. — Твой полевой транзистор до смешного похож на триод! В лампе усиливаемые напряжения прилагают между сеткой и катодом, а изменения потенциала сетки в большей или меньшей степени влияют на прохождение потока электронов от катода к аноду. Такой же эффект создает в этом транзисторе электрод, который в зависимости от своего потенциала оказывает большее или меньшее влияние на прохождение электронов от одного конца полупроводниковой пластинки к другому. Поэтому я предполагаю, что один из концов полупроводниковой пластинки можно назвать катодом, другой — анодом, а создающий электрическое поле электрод — сеткой.

Л. — Сформулированная тобою аналогия совершенно обоснованна. Однако она не послужила основанием дать электродам транзистора названия, идентичные электродам триода. Электрод, который создает поле, получил название затвора. Вывод полупроводниковой пластинки, служащий вторым электродом, на который подаются усиливаемые напряжения, называется истоком, а противоположный вывод, с которого снимают усиленный ток, стоком.

Н. — По схеме я вижу, что между затвором и истоком последовательно прилагаются два напряжения: постоянное напряжение смещения затвора U₃ и входное переменное напряжение, которое усиливается этим транзистором. Я думаю, что постоянное напряжение батареи должно быть достаточно велико, чтобы противоположные ему полупериоды переменного напряжения не изменили полярности затвора.

В рассматриваемом нами случае затвор сделан отрицательным. Поэтому не следует допускать, чтобы положительные полупериоды переменного напряжения оказались выше напряжения Е₃ батареи.

Л. — Можно подумать, Незнайкин, что ты уже имеешь опыт практического применения полевых транзисторов.

Н. — Пока еще нет, но надеюсь, что ждать осталось недолго. А пока я хотел бы знать, создает ли напряжение U₃, большой ток между истоком и затвором.

Л. — Никакого! В этих транзисторах затвор образуется диффузией примесей типа, противоположного тем, которые содержатся в полупроводнике. Если примеси полупроводника типа n, затвор образуется двумя зонами с примесями типа р. Когда к созданному таким образом р-n переходу прилагают напряжение, делающее зону р отрицательной зоны n, переход превращается в непреодолимое для тока препятствие. Через переход проходит ничтожный ток порядка наноампера. Впрочем, существуют полевые транзисторы, в которых затвор выполнен из алюминиевых пластинок, отделенных от полупроводника очень тонким изолирующим слоем из двуокиси кремния.

Н. — Все больше и больше я убеждаюсь, насколько полевой транзистор похож на триод. В лампе ток не должен протекать по сеточной цепи. Для этого на сетку подают отрицательное относительно катода смещение. А усиление определяется изменением анодного тока, вызванным изменением потенциала сетки.

В полевом транзисторе также нет тока во входной цепи, т. е. между затвором и истоком, а переменное напряжение затвора определяет изменение тока стока. Это намного лучше того, что происходит в обычных транзисторах, где усиливаемые токи утомляются, так как создают ток база — эмиттер, что требует затраты определенной мощности.

Л. — Именно по этой причине полевые транзисторы часто применяют во входных каскадах приемников. Благодаря такому решению принимаемые антенной очень слабые сигналы не затрачивают энергии и эффективно усиливаются. Как видишь, в этом транзисторе, как и в триоде, входное сопротивление почти бесконечно.

Н. — А можно ли узнать, как изменяется ток стока в зависимости от изменений потенциала затвора?

Л. — Я сейчас нарисую очень простую схему, используемую для таких измерений, но сначала покажу тебе условные графические обозначения полевых транзисторов. В зависимости от типа полупроводника символизирующая затвор стрелка направлена в том или другом направлении (рис. 139).

Рис. 139. Условные графические обозначения полевых транзисторов из полупроводника типа n (а) и типа p (б).

А вот схема для интересующих тебя измерений (рис. 140).

Рис. 140. В полевом транзисторе из полупроводника типа n измеряют протекающий по нему ток I_с в зависимости от напряжения U₃, приложенного между затвором и истоком. Это напряжение изменяют с помощью потенциометра R. Полученная в результате таких измерений кривая похожа на кривую, характеризующую зависимость анодного тока триода от потенциала сетки.

Как видишь, приложенный к затвору потенциал можно изменять с помощью потенциометра R, включенного параллельно батарее. Вольтметр показывает нам напряжение U₃, приложенное между затвором и истоком, а миллиамперметр — ток стока I_c, создаваемого батареей E_c.

По результатам измерений вычерчивают кривую, показывающую изменение I_c, в зависимости от изменения U₃. Обрати внимание, что большую часть этой кривой составляет прямолинейный участок. Кривая позволяет определить крутизну транзистора.

Ты видишь, что, когда напряжение U₃ изменяется от —2 до — 1 В, ток I_c увеличивается от 1 до 5 мА. Следовательно, крутизна равна 4 мА/В. Это небольшая величина, однако некоторые полевые транзисторы имеют крутизну в несколько десятков миллиампер на вольт.

Н. — Я вижу, что по сравнению с обычными транзисторами типов n-р-n и р-n-р полевой транзистор обладает рядом преимуществ. Но мало хорошего в том, что он требует применения двух источников напряжения: батареи для подачи смещения на затвор и батареи, дающей ток стока.

Л. — Успокойся, Незнайкин, одного последнего источника будет вполне достаточно. Ты помнишь, как подают отрицательное смещение на сетку триода?

Н. — Конечно, смещение получают с помощью анодного тока, создающего падение напряжения на резисторе, в результате чего катод становится положительным относительно сетки.

Л. — Точно так же мы сделаем и для нашего транзистора. Между его затвором и отрицательным полюсом батареи Е_с включим резистор R и зашунтируем его конденсатором С, предназначенным для пропускания переменных составляющих тока стока (рис. 141).

Рис. 141. Благодаря падению напряжения на резисторе R затвор становится отрицательным относительно истока. Протекающие по нагрузочному резистору R_с токи порождают напряжения, которые с усилительного каскада подаются через конденсатор C₁ на следующий каскад.

Постоянная составляющая этого тока, проходя по резистору R, создает падение напряжения, которое делает исток транзистора положительным относительно отрицательного полюса батареи. Затвор же через источник переменного напряжения соединен как раз с этим полюсом. Таким образом, затвор становится отрицательным относительно истока.

На схеме я также изобразил резистор нагрузки R_с, на котором усиленные токи стока создают падения напряжения, передаваемые через конденсатор связи С₁ на следующий каскад.

Н. — Значит, нарисованная тобою схема представляет собой усилительный каскад?

Л. — Да, но очень схематично… Теперь, если ты хочешь, я могу показать тебе полную схему приемника, содержащую каскад УВЧ на полевом транзисторе, полупроводниковый диод в качестве детектора и каскад НЧ на обычном транзисторе (рис. 142).

Рис. 142. Схема транзисторного приемника, состоящая из каскада УВЧ на полевом транзисторе, полупроводникового диода и одного каскада УНЧ.

Н. — Я с радостью констатирую, что эту схему я читаю с такой же легкостью и с таким же удовольствием, как и романы Виктора Гюго…

Резистор R₁ служит для того, чтобы сделать затвор первого транзистора отрицательным относительно истока. Принятые антенной сигналы ВЧ подаются на затвор этого транзистора.

Проходя по резистору R₂, токи стока порождают на нем усиленное напряжение ВЧ; последние подаются на диод, который их детектирует. Полученные таким образом токи НЧ в свою очередь порождают напряжения НЧ на резисторе R₃; эти напряжения через конденсатор связи С₂ прилагаются между базой и эмиттером транзистора УНЧ. Отрицательное смещение на его базу подается в результате падения напряжения на резисторе R₄, а его коллекторный ток приводит в движение диффузор громкоговорителя.

Не сказал ли я какой-нибудь глупости?

Л. — Нисколечко! Твой анализ схемы на 100 % идентичен тому, какой сделал бы я сам. Я поздравляю тебя и, чтобы сохранить приятное впечатление, прерываю на этом нашу беседу.