Транзистор?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

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.

Л. — Все это правильно. Действительно, кроме исключительных случаев, лампы работают без сеточного тока. В транзисторах же ток базы играет первостепенную роль.

Рациональная схема

Н. — Вот схема, которую я придумал для снятия этих четырех величин (рис. 43).

Рис. 43. Схема, используемая для снятия характеристик транзистора.

Л. — Здесь я вижу потенциометр R1, который служит для изменения по желанию напряжения между базой и эмиттером; это напряжение измеряется вольтметром Uб. Кроме того, у тебя есть потенциометр R2, служащий для изменения напряжения коллектор — эмиттер, измеряемого вольтметром Uк. Ты измеряешь ток базы микроамперметром Iб, а ток коллектора — миллиамперметром Iк. Поздравляю тебя, Незнайкин: с твоей схемой можно проделать хорошую работу! Что же у тебя не ладится?

Н. — У меня складывается впечатление, что я стал жертвой той самой шутки, которую я еще мальчишкой проделывал с нашей кухаркой Меланьей.

Л. — В чем же заключалась твоя шутка?

Н. — Однажды вечером я тонкой проволокой соединил все кастрюли между собой, и когда Меланья захотела взять одну из них, вся кухонная батарея обрушилась ей на голову.

Л. — Это, к сожалению, делает честь лишь твоему воображению. Но я все еще не вижу…

Н. — А тем не менее, это очевидно. У меня сложилось впечатление, что стрелки моих приборов связаны между собой невидимыми нитями, как кастрюли Меланьи. Достаточно одной из них покачнуться, как две другие немедленно приходят в движение. Например, когда я поворачиваю ручку потенциометра R1, изменяя тем самым напряжение базы Uб, одновременно изменяется ток базы Iб, а также и ток коллектора Iк.

Две первые характеристики

Л. — А разве это не нормально? Этим ты демонстрируешь сам принцип действия транзистора. Прилагая между базой и эмиттером возрастающее напряжение, ты повышаешь ток, идущий от эмиттера к базе, и тем самым увеличиваешь ток, идущий от эмиттера через базу к коллектору.

Н. — Разумеется. Это полностью аналогично влиянию сетки на анодный ток в вакуумной лампе. Кстати, вот две кривые, которые я снял, регулируя потенциометром R1 напряжение Uб и записывая для каждого его значения величины Iб и Iк (рис. 44 и 45).

Рис. 44. Зависимость тока базы Iб от напряжения база — эмиттер Uб. На этом рисунке, как и на всех остальных, где изображены характеристики транзистора, полярность напряжений базы и коллектора не указана. Потенциалы обоих электродов положительны относительно эмиттера у транзисторов структуры n-р-n и отрицательны у транзисторов структуры р-n-р.

Рис. 45. Зависимость тока коллектора Iк от напряжения бaза — эмиттер Uб.

Л. — Очень хорошо, Незнайкин. Я вижу, что ты испытываешь транзистор средней мощности, потому что коллекторный ток достигает здесь значительной величины — порядка полуампера…

Твоя первая кривая, где взаимодействую только два элемента — эмиттер и база, характеризует зависимость тока базы от потенциала базы по отношению к эмиттеру и является характеристикой диода, образованного эмиттером и базой.

Н. — Правда! Ток увеличивается сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Я вижу, что эта кривая не представляет большого интереса, но, думаю, что другая кривая, отражающая изменение коллекторного тока в зависимости от напряжения базы, имеет большое значение.

Незнайкин знакомится с обманчивой крутизной

Л. — Не увлекайся, мой друг. Вторая кривая действительно очень показательна. Она, в частности, показывает нам, что крутизна транзистора не постоянна и изменяется в зависимости от величины напряжения.

Н. — Как? Разве, имея дело с транзисторами, тоже говорят о крутизне? Для ламп — это отношение небольшого изменения анодного тока к вызвавшему его небольшому изменению сеточного напряжения.

Л. — Да, здесь по аналогии мы также определим крутизну[10] как отношение небольшого изменения ΔIк к вызвавшему его небольшому изменению ΔUб. Обозначив крутизну буквой S, получим:

Часто этот параметр транзистора называют полной проводимостью прямой передачи и обозначают Y21.

Крутизна у транзисторов, как и у ламп, выражается в миллиметрах на вольт.

Н. — Я действительно заметил, что при повышении напряжения базы крутизна нашего транзистора возрастает. При переходе от 0,2 к 0,4 В ток увеличился всего на 50 мА, а при повышении напряжения базы от 0,6 до 0,8 В он увеличился примерно на 180 мА. Следовательно, в первом случае мы имеем крутизну 50: (0,4–0,2) = 250 мА/В, а во втором случае 180: (0,8–0,6) = 900 мА/В. Чудовищно! У лампы никогда нельзя получить такой крутизны.

Л. — Однако не делай слишком поспешных выводов о том, что усиление транзистора действительно так велико. Здесь роль крутизны значительно скромнее, так как в конечном итоге решающее значение имеет влияние тока базы на ток коллектора.

Опасно! Ограниченная мощность

Н. — Я обнаружил это, когда снимал зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб для двух значений напряжения Uк на коллекторе: 2 и 10 В (рис. 46).

Рис. 46. Зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб при двух значениях напряжения коллектора Uк

Л. — А почему часть кривой для этого последнего напряжения Uк = 10 В проведена пунктиром?

Н. — Потому что она нанесена условно. Я не хотел, чтобы коллекторный ток превысил 35 мА, так как предельная мощность транзистора составляет 350 мВт (в инструкции выпустившего его завода недвусмысленно сказано об этом). Ток в 35 мА при напряжении в 10 В дает как раз эту предельную мощность, а я же хотел превышать ее, чтобы не погубить плод трудов своих.

Л. — Ты действовал мудро, и мне остается лишь тебя поздравить. Обрати внимание, что кривые, показывающие изменение Iк под воздействием Iб, чаще всего приближаются к прямой линии. Впрочем, в этом мы уже имели возможность убедиться, рассматривая рис. 24.

Н. — Правда, я вспоминаю, что эти кривые позволяют определить коэффициент усиления по току β, который показывает, во сколько раз изменения тока коллектора больше изменений тока базы (этот важный параметр транзистора называют иногда коэффициентом передачи тока и обозначают h21).

Л. — Можешь ли ты определить этот коэффициент по кривой Uк = 2 В?

Н. — Это очень просто. Когда мы повышаем ток базы, например, с 0,5 до 1 мА (точки А и Б), ток коллектора увеличивается с 70 до 97,5 мА. Следовательно, изменению тока базы на 0,5 мА соответствует изменение тока коллектора на 27,5 мА. Значит, усиление по току β = 27,5:0,5 = 55 раз.

Л. — Браво! А в более общей форме можно сказать, что

где ΔIк и ΔIб — соответственно малые изменения тока коллектора и тока базы.

Сопротивление, которое не является на перекличку

Н. — Скажите, пожалуйста! Все эти малые изменения токов и напряжений напоминают мне что-то знакомое, как мотив песенки моего далекого детства. После крутизны и коэффициента усиления нам не хватает только внутреннего сопротивления… и мы вновь встретим ту же семью основных параметров, что и у ламп.