Радио и телевидение?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Беседа десятая

ТРАНЗИСТОР

Здесь рассматриваются основные вопросы, относящиеся к транзисторам: их конструкция, способ питания, прохождение токов во входной и выходной цепях, схема усилительного каскада, изменение тока коллектора в зависимости от приложенного на вход напряжения, входное сопротивление транзистора и рассеиваемая на нем мощность.

Незнайкин. — Мне представляется очень сложным строение этих полупроводников, которые вместе со своими трехвалентными и пятивалентными примесями образуют положительные и отрицательные зоны n-р перехода. Необходимо учитывать атомы примесей, ионизированные положительно и отрицательно, атомы самого полупроводника, которые, потеряв электрон, стали положительными дырками, и, наконец, свободные электроны. При приложении напряжения, порождающего электрический ток, начинается сложное движение этих частиц.

Любознайкин. — Успокойся, дорогой друг. В действительности прохождение тока не вызывает практически никакого перемещения атомов. Движутся только электроны, как это происходит в проводниках. Не забывай, что атомы наших полупроводников образуют кристаллическую решетку и поэтому прочно закреплены на своих местах.

Н. — Тогда я не понимаю, что сказал мне твой дядюшка, когда объяснял, как на n-р переходах изменяется плотность ионизированных атомов акцепторов и доноров в зависимости от того, находятся ли они ближе к переходу или дальше от него. Как может изменяться плотность, если эти атомы не движутся?

Л. — Очень просто, благодаря перемещению электронов, которые покидают большее или меньшее количество атомов-доноров, расположенных в одном месте, чтобы занять место на внешней оболочке атомов-акцепторов, расположенных в другом месте. И когда мы говорим, что дырка (т. е. атом, ставший положительным из-за недостатка одного электрона) перемещается от положительного полюса к отрицательному, то на самом деле речь идет не о перемещении атома, а о последовательной цепочке перемещений электронов от одного атома к другому, расположенному ближе к положительному полюсу.

Таким образом, дырка образуется на одном атоме, затем на соседнем с ним, расположенном ближе к отрицательному полюсу, затем на соседнем уже с этим и т. д. в направлении к отрицательному полюсу.

Н. — Ты меня успокоил, Любознайкин. Значит, действительно перемещаются только электроны. И благодаря движению электронов изменяются заряды некоторых атомов, которые перестают быть нейтральными и становятся положительными, если они теряют электрон, или отрицательными, если они получают лишний электрон.

Л. — С удовольствием отмечаю, что ты хорошо усвоил, что происходит на переходе. Это позволяет мне соединить два перехода, чтобы получить транзистор.

Н. — Я не очень хорошо представляю, как ты соединишь два перехода.

Л. — Это несложно. Возьми два противоположно направленных перехода, например р-n переход и n-р переход, и сделай общей их зону n. Таким образом получишь транзистор типа р-n-р. Средняя часть, в данном случае зона n, должна быть очень тонкой. Она называется базой. Одна из крайних зон р называется эмиттером, а другая — коллектором.

Н. — Очень красивые названия. Однако, на мой взгляд, конструкция лишена какого бы то ни было смысла. Твой транзистор представляет превосходное препятствие для прохождения тока. Ты установил два диода, включив их в противоположных направлениях. Каждый из них пропускает ток только в одном направлении. А при таком расположении направления проводимости диодов ориентированы в разные стороны (рис. 124). Ты можешь сколько угодно прилагать между своими эмиттером и коллектором отрицательно-положительный или положительно-отрицательный потенциал, все равно тока не будет.

Рис. 124. Распределение электронов, дырок и ионизированных атомов во всех трех зонах транзистора до приложения к нему напряжения.

Л. — Совершенно с тобой согласен. Но посмотрим, что произойдет, если одновременно приложить еще одно напряжение между базой и эмиттером. Подключим батарею напряжением в несколько вольт положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным — к коллектору. Возьмем другую батарею с еще более низким напряжением и подключим ее между эмиттером, с которым соединим положительный полюс, и базой, с которой соединим отрицательный полюс (рис. 125). Что же теперь произойдет, Незнайкин?

Рис. 125. Движение носителей зарядов в транзисторе типа р-n-р под воздействием напряжений.

Н. — Ток потечет от эмиттера к базе, так как вторая батарея включена так, что электроны могут проходить через р-n переход. Но я не вижу, что может дать батарея, включенная между эмиттером и коллектором.

Л. — Будучи заряженной отрицательно, база притянет из эмиттера немалое количество положительных дырок. Небольшая часть этих дырок пойдет к отрицательному полюсу батареи, пройдет через нее и через другой полюс вернется в эмиттер, тогда как в противоположном направлении будут двигаться электроны. Это образует небольшой ток Iб (эмиттер — база). Но не забывай, что база очень тонкая. Поэтому основная часть положительных дырок, которые проникли в базу из эмиттера, продолжит свой путь и войдет в коллектор. А эта зона, будучи заряженной отрицательно, как раз и притянет эти дырки, которые, как ты, вероятно, помнишь, представляют собой положительные заряды.

Н. — Теперь я понимаю, что небольшой ток Iб порождает больший ток, протекающий от эмиттера через базу к коллектору.

Л. — Действительно, ток базы Iб обычно не превышает нескольких десятков или сотен микроампер, тогда как ток коллектора Iк достигает нескольких миллиампер или даже нескольких десятков миллиампер. А в мощных транзисторах он еще больше. Но прежде чем рассматривать его цифровые значения, я хотел бы посмотреть, не сможешь ли ты сам проанализировать работу транзистора n-р-n, имеющего обратные полярности по сравнению с только что изученным нами транзистором р-n-р.

Н. — Попытаюсь. В отсутствие напряжения эмиттер из полупроводника типа и будет иметь больше свободных электронов на своем свободном конце, тогда как на стороне перехода с базой выше будет плотность положительных ионов. Поэтому в самой базе поблизости от этого перехода будут преобладать отрицательные ионы. На переходе между базой и коллектором заряды будут располагаться симметрично. В середине же базы будут преобладать дырки, так как у расположенных там атомов электроны сорваны атомами, находящимися около обоих переходов (рис. 126).

Рис. 126. Транзистор типа n-р-n.

Л. — Все это совершенно верно. Я вижу, что ты хорошо знаешь распределение различных зарядов на переходах. А теперь доставь мне удовольствие, приложив напряжения на все три электрода транзистора.

Н. — Отрицательный полюс батареи я соединяю с эмиттером, а положительный — с коллектором. Еще меньшее напряжение другой батареи я прилагаю положительным полюсом к базе, а отрицательным — к эмиттеру (рис. 127).

Рис. 127. Притягивая электроны от эмиттера к базе, напряжение источника Eэ. б открывает им путь в коллектор.

Л. — Что же произойдет?

Н. — Напряжение между эмиттером и базой и в этом случае приложено в проводящем направлении. Значит, свободные электроны устремятся от эмиттера к базе. Некоторые из них пойдут к положительному полюсу источника питания, пройдут через него и вернутся к эмиттеру. Они определяют ток базы. Но и здесь он будет малым. Вследствие исключительно малой толщины базы основная часть электронов, устремляющихся от эмиттера в базу, преодолеет и второй переход; это облегчается тем, что они притягиваются положительным потенциалом, приложенным к коллектору. Они войдут в коллектор, покинут его и направятся к положительному полюсу батареи Еэ. к, чтобы, пройдя через нее, вернуться, наконец, к эмиттеру.