Транзистор структуры p-n-p

Л. — Теперь, когда я удовлетворил твое любопытство, не можешь ли ты в свою очередь ответить мне на вопрос, который я задал в конце нашей прошлой беседы: как работает транзистор структуры p-n-p (рис. 28)?

Н. — Я думал об этом, и мне кажется, что я могу тебе ответить. В таком транзисторе в отличие от транзистора структуры n-p-n коллектор нужно сделать отрицательным по отношению к эмиттеру. Я должен тебе признаться, что это мне очень неприятно.

Л. — Почему же?

Н. — Потому что я всегда стремлюсь сравнивать транзистор с электронной лампой, и идея сделать анод отрицательным по отношению к катоду (ведь именно их роль выполняют соответственно коллектор и эмиттер) меня несколько разочаровывает. Тот же факт, что база должна быть отрицательной по отношению к эмиттеру, радует мое сердце, так как я думаю, разумеется, о сетке.

Л. — Незнайкин, остерегайся таких сопоставлений, я уже говорил тебе об этом.

Н. — Как бы там ни было, но при таком распределении напряженнй переход эмиттер—база питается в проводящем направлении. Это значит, что отталкиваемые положительным полюсом источника питания дырки эмиттера неудержимо устремляются через переход в базу. Благодаря малой толщине базы большинство дырок успеет проскочить через нее и проникнет в коллектор, не прореагировав на слабое притяжение отрицательного полюса батареи .

Рис. 28. Распределение носителей зарядов (электронов и дырок) и ионизированных атомов в транзисторе структуры до включения напряжений питания. На рисунке видны потенциальные барьеры, образованные ионами с разноименными зарядами.

Л. — Это совершенно верно. Однако что происходит с теми немногочисленными дырками, которые, как, ты говоришь, прореагируют на притяжение отрицательного полюса батареи (рис. 29)?

Н. — Они нейтрализуются в результате рекомбинации с поступившими от этого полюса электронами. Таким образом они создают небольшой ток , протекающий от базы к эмиттеру (в электронном смысле, конечно).

Л. — А какова судьба большинства дырок, которые достигли коллектора?

Н. — Там происходит то же самое явление: дырки нейтрализуются электронами, поступающими из отрицательного полюса батареи .

Рис. 29. Движение носителей зарядов в работающем транзисторе. Для большей ясности ионы на этом рисунке не показаны.

И каждый раз, когда электрон проникает из батареи в коллектор, чтобы нейтрализовать дырку, другой электрон покидает один из атомов эмиттера и поглощается положительным полюсом этой батареи; само собой разумеется, что, покидая свой атом, данный электрон порождает в эмиттере новую дырку. Ток поддерживается движением дырок от эмиттера к коллектору и электронов в обратном направлении. Разве не так?

Л. — Я восхищен, как здорово разобрался ты в работе транзистора. Действительно, все происходит так, как если бы армия штурмовала крепость. Атакующие достигают вершины стены и в неудержимом порыве врываются в город, прорываясь через ряды пытающихся их сдержать защитников.

Н. — Твоя аналогия, где крепостная стена представляет базу, а город — коллектор, была бы более убедительной, если бы осажденный гарнизон предпринимал контратаку, символизирующую движение электронов навстречу атакующим дыркам, вооруженным неотразимым положительиым зарядом. Да, кстати, с одинаковой ли скоростью движутся электроны и дырки?

Несколько футуристических комбинаций

Л. — Нет, Незнайкин. В чистом германии под воздействием электрического поля величиной в один вольт на сантиметр электроны пробегают около сорока метров в секунду, тогда как дырки перемещаются вдвое медленнее. В кремнии при этих же условиях у электронов скорость порядка двенадцати метров в секунду, а скорость дырок составляет всего лишь два с половиной метра в секунду. А в некоторых интерметаллических соединениях скорость электронов достигает более полукилометра в секунду.

Н. — Что это за интерметаллические соединения, которые ты неожиданно суешь мне под нос?

Л. — Это полупроводники, представляющие собой комбинацию трехвалентных и пятивалентных элементов...

Н. — ...комбинацию, дающую в среднем валентное число четыре, т. е. такое же, как у германия и кремния. Можешь ли ты назвать мне некоторые такие комбинации?

Л. — Пожалуйста. Из комбинации пятивалентной сурьмы и трехвалентного галлия, например, можно получить транзисторы. Трехвалентный индий в комбинации с пятивалентным фосфором дает полупроводниковый материал, используемый для производства некоторых диодов. Удалось даже использовать соединение кадмия (валентное число — два) с селеном (валентное число — шесть) для изготовления фотоэлементов. Область интерметаллических полупроводниковых материалов, являясь предметом активных исследований, открывает интересные перспективы будущего...

Н. — Дорогой друг, давай вернемся к нашим овцам... трех ногах. Я хотел бы знать, чем различаются эмиттер и коллектор. В транзисторе p-n-p оба они типа p (так же как в транзисторе n-p-n они оба типа n). Не свидетельствует ли это об их взаимозаменяемости?

Л. — Нет, дорогой друг. И ты сам легко поймешь, почему. Если ток, идущий от эмиттера к базе, а затем к коллектору, имеет примерно одну и ту же величину, то этого нельзя сказать о напряжениях. Между базой и эмиттером напряжение невелико, а между коллектором и базой оно значительно выше.

Н. — Я понял. Так как произведение тока на напряжение дает мощность, то мощность, рассеиваемая со стороны коллектора, во много раз больше той, которая рассеивается между эмиттером и базой.

Л. — Ты тысячу раз прав. Вот почему коллектор должен легче отводить выделяющееся там тепло. У него ббльшая, чем у эмиттера, площадь. А в мощных транзисторах коллектор припаян к металлическому корпусу, что облегчает излучение тепла и передачу его на шасси благодаря теплопроводности корпуса.

О выводах и условных обозначениях

Н. — Теперь я понимаю, чем различаются электроды транзистора, но как их узнают? Как определить, какой вывод транзистора соединен с эмиттером, а какой соответствует базе или коллектору?

Л. — Опознаются они очень просто. Обычно три проволочных вывода расположены в линию (рис. 30), причем средний из них соединен с базой, один из крайних выводов, ближайший к среднему, — с эмиттером, а другой вывод — с коллектором (этот вывод иногда отмечается цветной точкой).

Н. — Это одновременно и просто и логично, как и условное изображение транзистора на твоих рисунках, которое представляет собой разделенный на три зоны - области прямоугольник.

Л. — Увы, Незнайкин, это действительно логичное и соответствующее истинной структуре транзистора условное изображение обычно не используется в схемах.

Н. — Досадно. Каково же «официальное» графическое обозначение транзистора?

Л. — Всемирно принятого условного обозначения нет. В разных странах и даже разные авторы в одной стране нередко применяют различные условные обозначения. Большинство же пользуется обозначением в виде круга с жирной черточкой внутри, к середине которой подходят под углом две тонкие линии.

Жирная черточка обозначает базу, тонкая линия, снабженная стрелкой, — эмиттер, а другая такая же линия, но без стрелки, — коллектор А кроме того (запомни это как следует), если стрелка направлена к базе (рис. 31), то это транзистор структуры p-n-p, а если от базы (рис. 32), то транзистор n-p-n.

Н. — Почему же понадобилось принимать значок, так мало соответствующий действительной структуре транзистора, где эмиттер и коллектор расположены по разные стороны от базы?

Рис. 30. Типичное расположение трех выводов транзистора.

Рис. 31 Условное обозначение транзистора структуры p-n-p.

Л. — Это наследство доисторической эпохи, относящейся к 1948 г. Появившиеся тогда первые в мире транзисторы были «точечного» типа Они состояли из кристалла германия типа n, служившего базой, на который опирались два металлических острия, расположенные очень близко одно к другому (рис 33).

Н. — Любознайкии, а не было ли это возвращением к старому кристаллическому детектору?

Л. — Почти. Но вместо одного острия было два питание того транзистора осуществлялось так же, как питание современного транзистора структуры p-n-p. Точечный транзистор отличался тем же недостатком, что и его предок кристаллический детектор — отсутствием стабильности. Кроме того, он не мог работать при сколько-нибудь значительных мощностях. Вот почему теперь точечный транзистор совершенно не используется В то же время точечный диод до сих пор используется широко, особенно на сверхвысоких частотах, например в радиолокации, потому что там высоко ценится малая емкость такого диода.

Рис. 32. Условное обозначение транзистора структуры n-p-n.

Рис 33. Устройство точечного транзистора.

Н. — Прежде чем идти дальше, я хотел просить тебя, Любознайкии, кратко резюмировать (лучше в письменной форме) суть того, чему ты меня научил и что потребуется для понимания твоих последующих объяснений. Это позволило бы мне до нашей следующей встречи лучше усвоить пройденное.

Л. — Я охотно составлю для тебя такое резюме и пришлю его по почте А пока, Незнайкин, доброй ночи!