Транзистор?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Л. — Под бинокулярным микроскопом, но, конечно, предварительно пластинка полупроводника травится и разрезается на кусочки по числу бугорков, из которых каждый превращается затем в транзистор. Эти транзисторы называют «меза», название, которое в Южной Америке служит для обозначения горных плато с обрывистыми краями. Мезатранзисторы свободно преодолевают границу 100 МГц, т. е. работают на волнах короче 3 м.

Н. — Какой тщательности и какого внимания требует изготовление этих микроскопических гор!

Л. — Не думай, Незнайкин, что работа завершена, когда путем сплавления, электролиза или диффузии создали эмиттер, базу и коллектор. Заметь попутно, что в этих трех методах соответственно используют твердые, жидкие и газообразные вещества.

Н. — А что же еще остается сделать, чтобы транзистор окончательно был готов ко всем превратностям судьбы?

Л. — Обработать его поверхность в кислоте и создать условия для изумительной продолжительности жизни, смонтировав его с достаточной жесткостью, обеспечивающей высокую устойчивость против ударов и вибрации. И, наконец, закрыть его в герметичный и непрозрачный корпус, чтобы защитить от влажности и света — смертельных врагов полупроводников.

Н. — Почему?

Л. — Потому что, как я тебе уже говорил, световые лучи могут изменить проводимость полупроводников и вызвать электронную эмиссию. Эти явления используются в фотодиодах и фототранзисторах.

Но обычный транзистор должен быть защищен от света. Поэтому он помещается в пластмассовую капсулу или металлический корпус. Корпус транзистора часто заполняют нейтральным газом (например, азотом) или особыми желеобразными веществами. Присоединение выводов нередко представляет собой проблему, так как нужно создать чисто омические контакты между каждой из трех областей транзистора и соответствующими проволочками, любой ценой предотвращая образование паразитных р-n переходов.

Н. — Теперь, когда мы подводим итоги, я вижу, что для изготовления транзисторов нужно одновременно знать физику, химию и механику. Это слишком много. Я предпочел бы покупать транзисторы, если только…

Л. — Какую еще нелепую мысль ты собираешься мне изложить?

Н. — Мне думается, что можно изготовлять транзисторы без базы, без эмиттера и без коллектора. Почему бы не взять простой стерженек германия или кремния, намотать посередине его кольцо, на которое и подавать усиливаемое напряжение?

Создаваемое таким образом электрическое поле в большей или меньшей степени сузило бы поток носителей зарядов, проходящих от одного конца стерженька к другому, и ток в стерженьке модулировался бы точно так же, как это происходит в вакуумном триоде под воздействием потенциала сетки (рис. 41).

Рис. 41. Полевой транзистор.

Л. — Бедный мой Незнайкин!..

Н. — Чего же не хватает в моих рассуждениях?

Л. — В них все правильно, только прибор, который ты только что изобрел, уже давно существует. Он называется полевым транзистором. На него несколько похож изобретенный во Франции текнетрон, который объединяет преимущества транзисторов и вакуумных ламп.

Н. — Наш полевой транзистор настолько похож на вакуумный триод, что у меня возникает желание назвать катодом ту сторону, через которую ток входит, анодом — сторону, через которую он выходит, а сеткой — расположенное посередине кольцо, на которое подается усиливаемое напряжение.

Л. — Ничто не мешает тебе применять эти названия, хотя обычно используются другими терминами: исток вместо катода, сток вместо анода и затвор вместо сетки (рис. 42).

Рис. 42. Устройство полевого транзистора и схема его включения.

Роль сетки выполняет слой или две зоны полупроводника с проводимостью, обратной проводимости стерженька. Эти зоны, создаваемые методом сплавления или методом диффузии, располагаются по обе стороны средней части стерженька. Если стерженек сделан из полупроводника типа n, то затвор образуется двумя зонами из полупроводника типа р. Усиливаемое напряжение прилагается между затвором и истоком; затвор делается более или менее отрицательным относительно истока…

Н. — Точно так, как сетка относительно катода. В этом случае никакой ток не сможет протекать от затвора типа р к массе стерженька типа n, так как эти участки образуют диод, расположенный таким образом, что он не пропускает это напряжение. В этих условиях полное входное сопротивление нашего полевого транзистора в отличие от обычных транзисторов должно быть очень высоким.

Л. — Совершенно верно, дорогой Незнайкин. Ты видишь, насколько глубока аналогия с вакуумным триодом, хотя в зависимости от полярности приложенного напряжения ток может протекать в том или ином направлении. А отрицательные электрические поля, создаваемые затвором в массе стерженька, в большей или меньшей степени сдавливают поток электронов, идущий от истока к стоку, соединенному с положительным полюсом источника высокого напряжения; это напряжение может достигать 60 В.

Н. — Иначе говоря, здесь мы имеем дело уже не с усилением по току, а с усилением по напряжению. И я думаю, что его можно охарактеризовать крутизной, замерив, на сколько миллиампер изменяется ток исток — сток при изменении напряжения затвор — исток на 1 В.

Л. — Ты, мой друг, прав. И я должен сказать, что некоторые полевые транзисторы имеют крутизну 10 мА/В и даже выше. Я рад, что полевой эффект благотворно сказывается на тебе и стимулирует твои умственные способности… Чтобы полностью завершить эту тему, я добавлю, что существует особая разновидность этих транзисторов, сокращенно называемая МОП (от «металл-окисел-полупроводник»). В этих приборах зоны, образующие затвор, покрыты гонким слоем диэлектрика (двуокиси кремния), на который нанесен слой металла. Усиливаемые сигналы подаются на этот слой, образующий одну обкладку конденсатора; второй обкладкой служат зоны затвора. В полевых МОП транзисторах входное сопротивление практически бесконечно.

Н. — Но этого я не могу сказать о моем сопротивлении усталости. Остановимся на этом, чтобы все новые понятия в моем бедном мозгу пришли в порядок.

Беседа шестая

ЦАРСТВО КРИВЫХ

Для того чтобы применять транзисторы, надо знать их основные характеристики. Последние, как и характеристики ламп, могут выражаться значениями основных параметров или в виде графиков, показывающих, как некоторые токи и напряжения изменяются в зависимости от других. Однако для транзисторов графическое изображение характеристик особенно ценно, ибо каждая переменная величина влияет на большинство других. Вот почему двое наших друзей проделают очень полезную работу, рассмотрев различные параметры и характеристики транзисторов.

Содержание: Схема для снятия характеристик. Характеристики Iб = f(Uб) и Iк = f(Uб). Крутизна. Усиление по току. Входное сопротивление. Связь между крутизной, внутренним сопротивлением и усилением по току. Насыщение. Семейство характеристик. Аналогия с пентодом. Предельная мощность. Выходное сопротивление. Определение параметров по семейству статических характеристик.

Любознайкин. — Черт возьми! Что я вижу! Что означает это скопище измерительных приборов, батарей и потенциометров на твоем столе?

Незнайкин. — Очевидно, ты не видишь главного, и на это есть причины. Ведь рядом с вольтметрами и амперметрами транзистор выглядит совсем маленьким. А он тем не менее виновник сегодняшнего торжества.

Л. — Но какова цель всего этого нагромождения приборов?

Н. — А ты помнишь, как мы снимали характеристики электронных, ламп: изменения анодного тока в зависимости от сеточного напряжения или от анодного напряжения? Ну вот, я и хотел снять аналогичные характеристики для своего транзистора.

Л. — Похвальная инициатива! И тебе удалось достичь цели?

Н. — И да, и нет… Как видишь, достаточно уклончивый ответ. Но меня смущает тот факт, что у лампы мы учитывали три величины: анодный ток Iа, напряжение анод — катод Uа и напряжение сетка — катод Uc, а у транзистора нужно учитывать четыре: ток коллектора Iк, напряжение коллектор — эмиттер Uк, напряжение база — эмиттер Uб и ток базы Iб.