Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

На семействе выходных характеристик транзистора нужно отметить несколько запретных зон (рис. 59). Это говорит о том, что коллекторный ток и коллекторное напряжение не должны быть ни слишком большими, ни слишком малыми, что они могут изменяться не как угодно, а лишь в определенных пределах — в пределах не заштрихованной на рисунке рабочей зоны.

Рис. 59. На выходной характеристике можно отметить запрещенные области, то есть такие значения коллекторного тока и напряжения, которые по каким-либо причинам не должны (или не могут) появляться.

Чем же определяются границы этой рабочей области? Чем определяется тот набор токов и напряжений, при которых режим коллекторной цепи не попадает в опасные запретные зоны?

Левая граница рабочей области нам уже известна — за ней находится запретная зона загибов, загнутых участков характеристик. Попадание в эту запретную зону приводит к искажению формы сигнала. Чтобы не попадать в зону искажений, не нужно допускать, чтобы напряжение на коллекторе становилось меньше чем U*бк.

Правая граница рабочей области — это изогнутая линия с надписью «Не входить — пробой!». Переход этой границы влечет за собой прямо-таки смертельную опасность, так как приводит в запретную зону, где коллекторному рn-переходу транзистора грозит тепловой пробой. Еще знакомясь с диодами, мы установили, что рn-переход может выйти из строя, если превысить некоторую величину подводимой к нему мощности. Эта мощность — мы назвали ее допустимой мощностью, — как всегда, равна произведению тока на напряжение (Воспоминание № 4). У диода ей соответствует вполне определенное значение обратного тока и обратного напряжения.

У транзистора дело обстоит иначе: при одном и том же напряжении на коллекторе ток через рn-переход, то есть коллекторный ток, может иметь разную величину. Все зависит от числа зарядов, впрыскиваемых в этот переход из базы, то есть в итоге все зависит от управляющего напряжения Uэб. Вот почему одному и тому же значению допустимой мощности — у нас она равна 50 мвт — соответствуют разные комбинации коллекторного тока Iк и коллекторного напряжения Uбк. При небольшом коллекторном токе Iк можно допустить сравнительно высокое коллекторное напряжение Uбк, а при увеличении тока Iк напряжение Uбк должно быть поменьше. Вычислив допустимое напряжение на коллекторе для разных управляющих напряжений Uэб (а значит, для разных коллекторных токов), мы как раз и получим изогнутую пограничную линию, переступать которую нельзя «под страхом смерти».

И, наконец, еще одно, третье ограничение: коллекторный ток не должен быть меньше некоторой величины Iко. Здесь, правда, мы выразились не совсем точно — коллекторный ток не то что не должен переступать границу Iко, а он просто не может перейти эту границу. Запретная зона, которая лежит ниже линии Iко, отличается от двух предыдущих запретных зон именно тем, что в нее просто невозможно попасть.

Действительно, допустив ошибку в выборе режима, вы можете уйти из рабочей области влево и сделать сигнал жертвой загиба. Вы можете нечаянно (например, повысив напряжение Uбк) уйти из рабочей области вправо и увидеть, как мощность, выделяемая на коллекторном переходе, в какие-то моменты становится больше допустимой (это, правда, будут не моменты, а всего один момент — транзистору достаточно один раз ненадолго перейти границу допустимой мощности, чтобы он уже навсегда перестал быть транзистором). А вот перейти нижнюю границу рабочей области даже при желании невозможно — коллекторный ток никаким разумным способом нельзя сделать меньше, чем Iко. Именно поэтому ток Iко называют неуправляемым коллекторным током.

Как ни мал этот ток (он обычно в тысячи раз меньше средней величины Iк), а его влияние на работу транзистора огромно. Именно поэтому мы несколько подробней остановимся на происхождении неуправляемого тока Iко и на той роли, которую он играет в транзисторном усилителе.

Вернемся к тем далеким временам, когда мы только научились создавать полупроводниковые кристаллы с разным типом проводимости, вводя в них донорные или акцепторные примеси (рис. 15). При введении донорной примеси в кристалле появлялись свободные электроны, и он становился полупроводником типа n, а при введении акцепторной примеси в кристалле появлялись свободные дырки, и он становился полупроводником типа р. Но еще до введения примеси в полупроводнике были свои собственные свободные заряды, причем в равном количестве и электроны и дырки. Эти собственные заряды, благодаря которым полупроводник обладал небольшой собственной проводимостью, появлялись потому, что в некотором количестве атомов, скажем, в одном атоме из нескольких миллионов, под действием тепловой энергии нарушалась связь одного из внешних электронов с ядром. Электрон уходил в межатомное пространство (отрицательный свободный заряд) и оставлял свой атом с одним свободным для других электронов местом, то есть с дыркой (положительный свободный заряд).

После введения примеси судьба собственных свободных Зарядов оказывалась различной. Если, например, в полупроводник вводилась донорная примесь и в нем появлялось большое количество примесных электронов, то собственные электроны как бы присоединялись к ним и практически терялись на их фоне: ведь примесных зарядов всегда во много раз больше, чем собственных. Но в таком полупроводнике n-типа оставались еще собственные дырки — очень небольшое количество дырок в сравнении с огромным количеством свободных электронов. Учитывая эту разницу в количестве, свободные электроны в полупроводнике n-типа мы назвали основными зарядами или основными носителями заряда, а собственные дырки — неосновными зарядами, неосновными носителями. Аналогично в полупроводнике р-типа (его создала акцепторная примесь) основными свободными зарядами являются дырки, а неосновными — свободные электроны.

Казалось бы, что не стоит обращать внимание на неосновные заряды — их очень мало и никакого влияния на работу pn-перехода они оказать не могут. В действительности же все обстоит иначе: неосновных зарядов действительно мало, но они начинают действовать, когда основные заряды «уходят от дел». И поэтому на фоне бездействующих основных зарядов малочисленный отряд неосновных становится чуть ли не главной действующей силой.

Так, в частности, когда мы прикладываем к pn-переходу обратное напряжение и основные заряды оттягиваются от границы между зонами, неосновные, наоборот, устремляются к этой границе — ведь у них другой знак и они все делают наоборот. Именно за счет неосновных зарядов возникает в полупроводниковом диоде обратный ток Iобр. Именно из-за неосновных зарядов возникает в коллекторной цепи и неуправляемый ток Iко (рис. 60).

Рис. 60. Собственные (неосновные) свободные заряды базы создают небольшой коллекторный ток, который не управляется, то есть не подчиняются управляющему напряжению на базе.

Сейчас настал момент сделать короткую остановку и обратить внимание на одну очень интересную особенность коллекторной цепи. До сих пор у нас не было случая поговорить об этой особенности, а сейчас как раз наступил удобный момент. Дело вот в чем. В коллекторной цепи транзистора работают только неосновные заряды. Действительно, заряды, которые попадают из эмиттера в базу, для базы оказываются неосновными. В транзисторе р-n-р, например, из эмиттера (зона р) в базу (зона n) поступают дырки, а в самой базе основные заряды — это электроны. Именно дырки — неосновные для базы заряды — уходят в коллекторный pn-переход и создают коллекторный ток Iк. Коллекторный ток, как мы уже говорили, очень похож на обратный ток диода. Это видно хотя бы по тому, что ток возникает под действием обратного напряжения — к коллектору приложен «минус», запирающий pn-переход для основных зарядов — электронов базы. И поэтому создаваться такой ток может только неосновными зарядами базы, то есть дырками.

Но в базе, как вы сами понимаете, имеется два сорта дырок: собственные (тепловые) дырки и чужие, впрыснутые из эмиттера. Оба сорта дырок — и собственные, и впрыснутые — участвуют в создании коллекторного тока на равных правах, и, казалось бы, между ними нет никакой разницы. Но разница все же есть. Количество впрыснутых дырок мы можем менять по своему вкусу, изменяя напряжение Uэб. Можно вообще прекратить впрыскивание дырок в базу, подав на нее «плюс», достаточный для того, чтобы запереть эмиттерный переход. А вот изменить количество собственных дырок базы мы не можем — это не в нашей власти.