БЕСЕДА ТРЕТЬЯ

Разобрав в последней беседе свойства переходов, наши два друга приступают здесь к изучению транзистора, у которого при первом же знакомстве обнаруживаются глубокое сходство и не менее глубокое различие с электронной лампой. Любознайкин и Незнайкин разбирают сущность процесса усиления транзистора и делают интересные наблюдения относительно входного и выходного сопротивлений транзистора.

Содержание: Транзисторы структур p-n-p и n-p-n. Ток покоя. Ток базы. Транзисторный эффект. Усиление тока. Аналогия лампа — транзистор. Входное и выходное сопротивления. Усиление напряжения. Питание транзистора.

ДОБРЫЙ ДЕНЬ. ТРАНЗИСТОР!

Глупая шутка

Любознайкин. — Здравствуй, Незиайкнн! Почему ты опоздал и почему у тебя такой разъярённый вид?

Незнайкин. — Есть отчего... Знаешь ли ты, что на вашу улицу нельзя больше проехать на автомобиле?

Л. — На ней одностороннее движение, но достаточно выехать на нее в разрешенном направлении, чтобы...

Н. — Нет больше разрешенного направления! Эти регулировщики, которые, иесомненио, считают себя большими остряками, повесили и на другом конце знак «Въезд запрещен», так что теперь въезд на вашу улицу закрыт с обеих сторон.

Л. — Ну, это, может быть, просто шутка одного из тех, кому надоел ... шум автомобилей... и теперь мы в тишине сможем наконец рассмотреть принцип работы транзистора.

Н. — Я горю от нетерпения узнать, как устроено это «трехлапое создание».

Л. — Ну, в этом нет ничего сложного. Транзистор состоит из двух противоположно направленных переходов. Можно, например, объединить два перехода таким образом, что их область p окажется общей; в результате получим транзистор структуры n-p-n (рис. 21).

Н. — Я думаю, что точно так же от объединения области двух переходов мы получим транзистор структуры p-n-p. .

Л. — Естественно. Я добавлю, что одна из внешних областей называется эмиттером, а другая — коллектором, средняя же область, которая должна быть очень тонкой (и я прошу тебя обратить на это условие особое внимание), называется базой.

Н. — Одним словом, транзистор представляет собой своеобразный бутерброд из двух толстых кусков хлеба, между которыми положен тоненький кусочек ветчины

Л. — Да, если хочешь.

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

Рис. 21. Два основных вида транзисторов: n-p-n и p-n-p.

Непроницаемый бутерброд

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, возникающие в транзисторе, электроны, дырки, положительные иоиы (доноры) и отрицательные ионы (акцепторы).

Н. — Например, если к транзистору n-p-n мы приложим напряжение так, чтобы слева был отрицательный, а справа положительный полюс, то первый переход свободно пропустит электроны слева направо. Но второй переход решительно закроет им дорогу. Однако не найдется ли, тем не менее, нескольких 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 переход. Эти циркулирующие электроны образуют то, что называется начальным током или током насыщения.

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. — ...величина тока 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... Одиако пока я не вижу пользы от этих полупроводниковых бутербродов.

В основе всего... база

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).

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

Л. — Совершенно верно. Что, по твоему мнению, 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 p) свободные электроны из эмиттера, который состоит из полупроводника типа n.

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

А так как база тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области p. При этом в соответствии с механизмом, который мы рассмотрели в прошлый раз, через вывод базы будет выходить небольшой ток базы . Большинство же проникших в базу электронов продолжит свое движение и проникнет в коллектор, откуда они будут извлечены куда более высоким потенциалом источника напряжения . Следовательно, они преодолеют потенциальный барьер второго перехода и, пройдя через коллектор и источник 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 стоит перед ним 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.