Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Коллектор — наоборот — собирает заряды на выходе из транзистора, и именно этим объясняется само его название. Слово «коллектор» означает «собирающий» и происходит от того же корня, что и «коллекционер» — «собиратель».

Название «база» — «основа» — имеет историческое происхождение, но применительно к нашей упрощенной модели транзистора оно вполне оправдано. Ведь, сооружая свой условный транзистор, мы взяли за основу именно базу — средний полупроводниковый кристалл, а затем уже создали рn-переходы, введя с двух сторон в кристалл необходимые примеси.

Тот рn-переход, который возник между базой и эмиттером, мы для краткости будем называть эмиттерным переходом, а рn-переход между базой и коллектором будем называть коллекторным переходом.

Кстати, о конструкции транзистора. Пока будем считать, что все три его составные части — эмиттер, база и коллектор — устроены одинаково и чем-то напоминают три склеенные спичечные коробки.

Итак, мы построили транзистор. Что дальше? А дальше нужно заставить его усиливать слабые электрические сигналы. Нужно заставить транзистор выполнять роль скульптора — «лепить» из постоянного тока мощную копию слабого сигнала.

Для начала подведем к транзистору необходимые питающие напряжения и посмотрим, что в нем при этом будет происходить. Все свои опыты мы будем проводить с транзистором р-n-р, так как именно эти транзисторы в дальнейшем будут нам встречаться чаще всего. К нашему подопытному транзистору, как и к любому другому, необходимо подвести два питающих постоянных напряжения, и мы пока используем для этой цели две отдельные батареи (рис. 31).

Рис. 31. Эмиттерный pn-переход транзистора всегда включен в прямом направлении, а коллекторный pn-переход — в обратном направлении.

Эмиттерная батарея Бэ подключена к эмиттерному переходу «плюсом» к эмиттеру и «минусом» к базе. Это значит, что напряжение Еэб действует на эмиттерный переход в прямом направлении. Само обозначение Еэб в данном случае говорит о том, что речь идет о напряжении («плюс») на эмиттере относительно базы. Или, что то же самое, о напряжении («минус») на базе относительно эмиттера. Под действием «минуса» на базе туда начнут двигаться дырки из эмиттера (поскольку у нас диод р-n-р, то в эмиттере основные носители — это дырки), то есть через диод эмиттер — база пойдет прямой ток (рис. 32).

Рис. 32. В транзисторе р-n-р на базе действует «минус» относительно эмиттера, и в базу из эмиттера устремляются дырки.

В коллекторном переходе все наоборот. Чтобы транзистор работал, постоянное коллекторное напряжение Ек должно действовать на свой переход в обратном направлении, и поэтому батарею Бк мы подключим «плюсом» к базе и «минусом» — к самому коллектору, а для чистоты опыта на некоторое время отключим батарею Бэ. «Минус» коллектора, естественно, не будет притягивать электроны из базы (не забудьте, что в базе создана n-проводимость и основные носители там — электроны), и через диод база — коллектор, то есть через коллекторный переход, ток не пойдет.

У нас есть два независимых полупроводниковых диода — эмиттерный и коллекторный переходы, и каждый из них включен в цепь своей собственной батареи. Один диод включен в прямом направлении (эмиттерный переход), и через него идет достаточно большой прямой ток. Другой диод включен в обратном направлении (коллекторный переход), и в его цепи тока нет. Что делать дальше? А дальше нам прежде всего нужно проверить, насколько уместно по отношению к этим диодам мы применили слово «независимые».

Действительно, оба диода, образующие транзистор, имеют одну общую зону n. Не окажется ли, что через эту зону один из диодов, один из pn-переходов транзистора, влияет на другой pn-переход? Не окажется ли, что эмиттер каким-то образом влияет на коллектор через базу? Ответ на эти вопросы может подсказать уже знакомое нам слово «диффузия». И в данном случае речь пойдет о диффузии электрических зарядов (в нашем конкретном случае — дырок) в самой базе.

Дырки, попадающие в базу из эмиттера, казалось бы, должны немедленно без каких-либо отклонений уйти к «минусу» батареи Бэ и через нее вернуться в эмиттер (рис. 32, 33, листок А). Ведь именно «минус» на базе привел в нее из эмиттера эти дырки, и именно к «минусу» дырки должны стремиться в первую очередь.

Рис. 33. В результате диффузии дырки проходят через базу в область коллекторного рn-перехода.

В самом упрощенном виде вся эта сцена могла бы выглядеть так: к базе в огромных количествах подходят свободные электроны с «минуса» батареи Бэ (на то он и «минус»!), а с другой стороны — от эмиттера (на то он и зона р!) к базе подходят дырки. Дырки движутся сквозь базу, устремляются к ее выводу, который соединен с «минусом» батареи — поставщиком свободных электронов.

Здесь, в районе металлического вывода, и происходит нейтрализация дырок, превращение их в нейтральные атомы. При этом освобождается место и для новых, идущих со стороны эмиттера дырок, и для новых, идущих со стороны «минуса» батареи свободных электронов. Движение дырок, то есть прямой ток через эмиттерный рn-переход, идет непрерывно.

У нас получилась хотя и очень упрощенная, но весьма правдоподобная картина. И именно так все происходило бы, если бы не диффузия дырок в базе.

Дырки движутся по базе не только под действием электрических сил, не только под действием «минуса», зовущего их в цепь эмиттерной батареи Бэ. Наряду с таким упорядоченным движением дырки еще и расталкивают друг друга (напоминаем о примечании на стр. 26). Дырки стремятся разойтись из районов своего наибольшего скопления в те районы базы, где этих дырок сравнительно мало. В этом и состоит диффузия (стр. 56). Именно она приводит к тому, что некоторая часть дырок, пропутешествовав через всю базу, подходит к пограничным районам коллекторного pn-перехода (рис. 33, листок Б). И вот здесь-то все и начинается…

Коллекторный переход включен в цепь своей коллекторной батареи Бк в обратном направлении и поэтому ведет себя как большое сопротивление. Но что значит «большое сопротивление»? Это ведь совсем не означает, что между базой и коллектором стоят какие-то невидимые заборы, препятствующие движению зарядов. «Большое сопротивление» просто означает, что нет самих свободных зарядов, которые могли бы двигаться и создавать ток. В области коллекторного pn-перехода зарядов нет, потому что они ушли оттуда. Этот переход включен именно так, что напряжение Ек оттягивает основные заряды от пограничной полосы, — дырки уходят из прилегающих к границе районов базы (рис. 17).

И вот теперь представьте себе, что в этот самый пограничный район базы диффузия загоняет пришедшую из эмиттера дырку. Разумеется, «минус» коллекторной батареи сейчас же потянет эту дырку к себе, и она немедленно перескочит в коллектор. Мы не будем пока говорить обо всех последствиях этого «прыжка», скажем лишь об одном. Появившись в пустом коллекторном переходе, дырка уменьшит его сопротивление. И чем больше дырок проникнет в коллекторный переход, тем меньше будет его сопротивление.

Давайте еще раз проследим всю цепочку событий.

Первое: прямой ток через эмиттерный переход поставляет в базу дырки (рис. 32). Второе: в результате диффузии дырки проходят через всю базу и попадают в район коллекторного перехода (рис. 33). Третье: попавшие в коллекторный переход дырки уменьшают его сопротивление, создают коллекторный ток (рис. 34). И отсюда делаем самый главный вывод: изменяя ток в цепи эмиттер — база, мы изменяем сопротивление цепи коллектор — база, изменяем коллекторный ток.

Рис. 34. Для коллекторного рn-перехода, включенного в обратном направлении, пришедшие из базы дырки — это, по сути дела, неосновные заряды, и поэтому они ускоряются коллекторным напряжением, создают коллекторный ток.

Не об этом ли мы мечтали? Не к этому ли стремились все время? Наконец-то мы нашли нужного нам скульптора. Действительно, если в эмиттерную цепь включить источник слабого сигнала, то он заставит изменяться ток в этой цепи. И, значит, вслед за слабым сигналом, повторяя все его «взлеты» и «падения», будет меняться сопротивление коллекторного pn-перехода. А поскольку коллекторный переход включен в цепь мощного источника постоянного тока — батареи Бк, то в итоге под действием входного сигнала будет изменяться выходной ток, произойдет усиление сигнала.