Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

В этом описании, правда, остается еще одна маленькая неясность. Еще нужно доказать, что сигнал на выходе транзистора будет не просто копией входного сигнала, а его мощной копией. Нужно доказать, что произойдет не простое копирование сигнала, а именно его усиление.

Нас, конечно, не устроит доказательство от противного: если бы транзисторы не усиливали, то кто бы стал их делать! Мы попробуем проверить усилительные способности транзистора путем рассуждений и расчетов, а также с помощью простейших экспериментов.

Прежде всего внесем поправку в простейшую модель транзистора, где три зоны полупроводникового триода отображались тремя сложенными вместе спичечными коробками (рис. 30). Выбросим среднюю коробку и вместо нее вставим пластинку тонкого картона. Теперь наша модель больше похожа на настоящий транзистор, так как базу действительно делают очень тонкой — ее толщина составляет несколько микрон или в крайнем случае несколько десятков микрон. База должна быть тонкой для того, чтобы попавшие в нее из эмиттера заряды (в нашем примере дырки), не обращая внимания на призвавший их сюда «минус» батареи Бэ, могли легко добраться к коллекторному переходу под действием сил диффузии.

И действительно, если база будет тонкой, то силам диффузии не составит никакого труда протолкнуть заряды сквозь нее в область коллекторного pn-перехода. А это, собственно говоря, нам только и нужно, потому что всякий заряд, достигший коллекторного перехода, в итоге будет участвовать в создании мощной копии сигнала, а заряды, которые пойдут по своему законному пути, из базы уйдут на «минус» эмиттерной батареи. Эти заряды, по сути дела, для нас потеряны.

Если вести строгий учет всем зарядам, то эмиттерный ток Iэ, после того как он войдет в базу, нужно будет разделить на две слагающие. Одну из них назовем коллекторным током Iк — его образуют заряды, которые за счет диффузии доберутся до коллекторного перехода и в дальнейшем пойдут по коллекторной цепи. Другую составляющую — базовый ток Iб — создают заряды, сумевшие протиснуться по тонкой базе и пойти своим законным путем к «минусу» батареи. Теперь события, происходящие в нашем транзисторе, можно описать так:

Iэ= Iк + Iб

Точно так же связаны между собой и изменения всех трех токов. Если, например, подняв напряжение Eэб, увеличить в два раза эмиттерный ток Iэ, то одновременно в два раза возрастут и оба порождаемые им тока Iк и Iб. При этом сумма Iк + Iб опять-таки останется равной Iэ. Да иначе и быть не может: ведь эмиттерный ток распределяется только между этими двумя слагающими.

В дальнейшем нас будут интересовать не только токи, напряжения и сопротивления, но и изменения этих величин. Поэтому давайте сразу же договоримся о том, как сокращенно записывать само слово «изменение». Очень малые изменения той или иной величины принято обозначать греческой буквой Δ («дельта»), и, пользуясь этим, все, что мы только что сказали о взаимной связи между изменениями токов в транзисторе, можно записать так:

Δ Iэ= ΔIк + ΔIб

В переводе на русский наша запись может звучать так: «Изменение эмиттерного тока равно сумме соответствующих изменений коллекторного тока и тока базы».

Для подопытной схемы, которую мы сейчас разбираем (рис. 35), введен особый показатель использования поступивших из эмиттера зарядов. Он называется коэффициентом усиления по току, обозначается греческой буквой α и численно равен:

α = ΔIк:ΔIэ

Коэффициент α показывает, какая часть эмиттерного тока достается коллекторному току. Смысл этого коэффициента проще всего уяснить на числовом примере: если при изменении тока эмиттера на 10 миллиампер, ток коллектора увеличится на 8 миллиампер, то α = 8:10 = 0,8. А это значит, что заряды, поставляемые эмиттером в базу, на 80 % используются для создания нужного нам коллекторного тока. Насколько же реальна такая цифра?

Рис. 35. Коэффициент усиления по току α показывает, какая часть вышедших из эмиттера зарядов участвует в создании коллекторного тока.

Уменьшая толщину базы и принимая ряд других мер в современных транзисторах, удается довести коэффициент α в среднем до 0,95—0,99. Это значит, что коллекторный ток (строго говоря, речь идет об изменениях тока, то есть ΔIэ, ΔIк, ΔIб) составляет 95–99 % эмиттерного тока Iэ и лишь 1–5 % приходится на базовый ток. Иными словами, из каждой сотни зарядов, попавших в базу из эмиттера, лишь 1–5 уходят на «минус» батареи Бэ и через нее возвращаются в эмиттер, так ничего полезного и не сделав. Зато остальные 95–99 зарядов из ста добираются до коллекторного перехода, меняют его сопротивление, создают в коллекторной цепи постоянный ток, из которого в итоге и образуется мощная копия усиленного сигнала.

Выяснив все это, подключим к нашему транзистору, кроме источников питания, еще два элемента: источник усиливаемого сигнала и резистор Rн — нагрузку, на которой должен выделяться усиленный сигнал. Естественно, что усиливаемый сигнал вводится в эмиттерную цепь, а усиленный извлекается из коллекторной (рис. 36).

Рис. 36. Вместе с усиливаемым сигналом к транзистору подводится постоянное напряжение (смещение), и благодаря этому эмиттерный рn-переход всегда включен в прямом направлении.

После того как в цепи эмиттер — база появился входной сигнал Uсиг, так и хочется задать вопрос: а для чего же здесь теперь нужна батарея Бсм (она заменила батарею Бэ)? И чем постоянное напряжение Uсм (оно действует так же, как и Eэб) может помочь напряжению сигнала Uсиг?

Когда мы мысленно экспериментировали с транзистором, смотрели, куда в нем движутся заряды, то постоянное напряжение выполняло, если можно так сказать, учебные функции. Теперь же во входной цепи транзистора появился ее настоящий хозяин — усиливаемый сигнал. Нужно ли и после этого сохранять батарею Бэ (Бсм)? Оказывается, нужно.

Постоянное напряжение Uсм называется напряжением смещения, а созданный этим напряжением постоянный ток Iсм — током смещения. Мы договорились, что эмиттерный переход обязательно должен быть включен в прямом направлении (на этом, собственно говоря, и основан сам принцип работы транзистора), а значит, на базе всегда должен быть «минус» относительно эмиттера. (Не забудьте: «минус» на базе должен быть только в транзисторах р-n-р, где от эмиттера к базе движутся положительные заряды — дырки. В транзисторах n-р-n, где основные носители заряда в эмиттере — электроны, на базе всегда должен быть «плюс» относительно эмиттера.) Если бы во входную цепь транзистора мы ввели усиливаемый сигнал без смещения, то на базе появлялся бы то «плюс», то «минус»: ведь Uсиг — это как-никак переменное напряжение.

То, что напряжение на базе меняется, — это хорошо. В этих изменениях как раз и записано все, что принес сигнал. Плохо лишь то, что, изменяясь, напряжение на базе временами залезает в запретную зону. Плохо и то, что моментами на базе появляется «плюс» и эмиттерный рn-переход запирается. Переход в этом случае просто работает как диод в выпрямителе, в его цепи появляется импульсный ток, и спектр этого тока, форма его графика (а значит, спектр и форма графика коллекторного тока, который является копией эмиттерного) уже не похожи на усиливаемый сигнал Uсиг. Проще говоря, если входное напряжение принесло с собой приятный голос диктора, то входной, а вместе с ним и выходной ток могут превратиться в рычание тигра.

Можно ли избежать этого? Можно ли, не трогая самого входного напряжения, сделать так, чтобы на базе никогда не появлялся «плюс» и чтобы график входного тока был таким же, как и график входного напряжения? Можно. И очень просто. Нужно вместе с переменным напряжением подать на базу еще и постоянный «минус». Постоянное напряжение не изменит самой формы сигнала, а лишь сместит его; отсюда и само слово «смещение» — в сторону «минуса» (рис. 36).

Все это можно проиллюстрировать простой аналогией. Во время вечера аттракционов в школе вам предложили с завязанными глазами нарисовать на листе бумаги простенькую фигуру. Вы сразу же начали рисовать неправильно — неточно нашли середину листа бумаги, съехали в сторону. Рисунок получается хороший, но только половина его попадает не на бумагу, а на стол. Что же нужно сделать, чтобы помочь вам?