Транзистор?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Л. — Да, если хочешь.

Н. — Но позволь мне сказать, что твой бутерброд так же несъедобен, как недоступна для машин ваша улица.

Л. — На что ты намекаешь, уважаемый друг?

Н. — Очень просто: два направленных в противоположные стороны перехода закрывают путь току в обоих направлениях точно так же, как и два знака «Въезд запрещен» лишают возможности выехать на вашу улицу, с какой бы стороны ты ни пытался это сделать.

Л. — Твои рассуждения не лишены логики. В заключение ты, может быть, заподозришь меня в авторстве этой глупой шутки, которую я якобы сделал с единственной целью облегчить тебе понимание принципа работы транзистора?..

Дело заключается в том, что если прикладывать напряжение к транзистору между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет препятствовать прохождению тока (рис. 22).

Рис. 22. Потенциальные барьеры, созданные в транзисторе своеобразным размещением электронов, дырок, положительных ионов (доноров) и отрицательных ионов (акцепторов).

Н. — Например, если к транзистору n-р-n мы приложим напряжение так, чтобы слева был отрицательный, а справа положительный полюс, то первый переход (n-р) свободно пропустит электроны слева направо. Но второй переход (р-n) решительно закроет им дорогу. Однако не найдется ли тем не менее несколько шустрых электронов, которым, несмотря на все, удастся циркулировать в цепи?

Л. — Да, такие электроны всегда имеются. Они проложат себе дорогу благодаря тепловому воздействию, которое поможет им преодолеть р-n переход. Эти циркулирующие электроны образуют то, что называется начальным током, или током насыщения[5].

Н. — Чем вызвано последнее название? Может быть, этот ток так велик?

Л. — Напротив» он чрезвычайно мал. Но он практически не зависит от величины приложенного напряжения. Повысь напряжение, а ток останется почти таким же. Под «насыщением» в данном случае понимают, что все свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер, участвуют в образовании тока.

Н. — А если температура повысится…

Л. — …ток насыщения также возрастет. Впрочем, может случиться, что при высоком напряжении выделяемая этим током мощность вызовет дополнительное нагревание переходов, которое повлечет за собой дальнейшее увеличение тока…

Н. — …что в свою очередь повысит температуру переходов и т. д.

Л. — Да. В этом случае говорят о наступлении тепловой нестабильности, которая может привести к разрушению транзистора (так называемому тепловому пробою). Поэтому при повышенной температуре не следует прилагать к транзистору чрезмерных напряжений. Следует также заботиться об отводе тепла.

Н. — Я обещаю тебе установить вентиляторы в моей аппаратуре на транзисторах… Однако пока я не вижу пользы от этих полупроводниковых бутербродов.

Л. — Это потому, что ты пока не добрался до ветчины… я хочу сказать — до тонкой средней области, находящейся между обоими переходами, которую мы назвали базой. Приложим теперь в прямом направлении небольшое напряжение между эмиттером и базой (рис. 23).

Рис. 23. Создавая поток электронов из эмиттера в базу, источник напряжения открывает им дорогу через коллектор.

Н. — Ты хочешь сказать, что если мы возьмем транзистор структуры n-р-n, то его эмиттер надо сделать отрицательным по отношению к базе?

Л. — Совершенно верно. Что, по-твоему, произойдет в этом случае?

Н. — Ничего особенного. Напряжение приложено в прямом направлении — значит, через переход между эмиттером и базой пойдет ток, вот и все.

Л. — Нет, далеко не все. Ток внесет в базу (область р) свободные электроны из эмиттера, который состоит из полупроводника типа n. А так как база тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области р. При этом в соответствии с механизмом, который мы рассмотрели в прошлый раз, через вывод базы будет выходить небольшой ток базы Iб. Большинство же проникших в базу электронов продолжит свое движение и проникнет в коллектор, откуда они будут извлечены высоким потенциалом источника напряжение Eкэ. Следовательно, они преодолеют потенциальный барьер второго перехода и, пройдя через коллектор и источник Eкэ, вернутся к эмиттеру.

Н. — Удивительно! Если я правильно понял, то достаточно приложить небольшое напряжение между базой и эмиттером, чтобы открыть электронам путь через второй переход база — коллектор, который в обычных условиях включен в обратном направлении.

Л. — Да, Незнайкин. Именно в открывании запертого обратным напряжением второго перехода заключается транзисторный эффект.

Н. — Я думаю, что дело станет для меня яснее, если ты назовешь мне порядок величин используемых напряжений и токов.

Л. — Между базой и эмиттером обычных маломощных транзисторов прикладывают напряжение порядка 0,2 В. При этом в цепи базы проходит ток в несколько десятков микроампер. Напряжение же, прикладываемое между коллектором и эмиттером, может составлять 5 — 10 В и больше. Ток коллектора бывает от 0,5 мА до нескольких миллиампер.

Н. — Одним словом, эмиттер впрыскивает в базу некоторое количество электронов, небольшая часть которых сразу же возвращается к эмиттеру через источник напряжения Ебэ (это те электроны, которые во время своего короткого пробега по базе имели несчастье повстречаться с дырками), но большая часть электронов продолжает свой путь, они пересекают второй переход, входят в коллектор и возвращаются к эмиттеру через источник напряжения Екэ. Я уже догадался, что усилительное действие транзисторов заключается в том, что ток коллектора значительно больше тока базы.

Л. — Ты несколько спешишь, но ты не ошибаешься. Усиление заключается в том, что ток коллектора зависит в основном от тока базы и меняется пропорционально изменениям последнего. Вообще ток коллектора в несколько десятков раз больше тока базы. Вот, например, график, показывающий, как изменяется ток коллектора в зависимости от тока базы одного из транзисторов (рис. 24).

Рис. 24. Зависимость тока коллектора Iк (в миллиамперах) от тока базы Iб (в микроамперах). Между точками А и Б ток базы увеличивается от 50 до 100 мкА, т. е. на 50 мкА, или 0,05 мА. Ток коллектора между этими же точками возрастает от 3 до 5,5 мА, т. е. на 2,5 мА. Следовательно, усиление по току составляет 2,5:0,05 = 50 раз.

Будь внимателен, Незнайкин! Ток базы выражен здесь в микроамперах, а ток коллектора — в миллиамперах.

Проявив достаточную наблюдательность, ты заметишь, что ток коллектора за вычетом начального тока, существующего в отсутствие тока базы, всюду в 50 раз больше тока базы. В этом случае говорят, что усиление по току (или иначе статический коэффициент передачи тока, h21э) равно 50.

Н. — А как строится такой график?

Л. — Очень просто. Изменяя при помощи потенциометра прикладываемое между базой и эмиттером напряжение (рис. 25), надо измерять соответствующие друг другу значения тока базы (микроамперметром) и тока коллектора (миллиамперметром).

Рис. 25. Схема, при помощи которой можно снять характеристику, изображенную на рис. 24. При каждом положении движка потенциометра R измеряются значения тока базы и тока коллектора.

Н. — Любознайкин, у меня есть одна идея. Вместо того, чтобы крутить ручку потенциометра и изменять тем самым напряжение между эмиттером и базой, давай приложим последовательно с источником постоянного напряжения Ебэ какой-нибудь сигнал, например высокочастотное напряжение из антенны или низкочастотное напряжение, получаемое после детектирования (рис. 26). Вызывая таким образом небольшие изменения тока базы, мы получаем значительные изменения тока коллектора.