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).

Эмиттер

Рис. 22. Потенциальные барьеры, возникающие в транзисторе, электроны, дырки, положительные ионы (доноры) и отрицательные ионы (акцепторы).

Н. - Например, если к транзистору п-р-п мы приложим напряжение так, чтобы слева был отрицательный, а справа положительный полюс, то первый переход (п-р) свободно пропустит электроны слева направо. Но второй переход [р-п) 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 р-п 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... Однако 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).

в этом месте Любозиайкин допускает неточность. Ток насыщения, о котором идет речь ниже, проходит при приложении обратного напряжения только к одному р-п переходу, т. е между средним выводом транзистора (базой) и одним из крайних Прим рей.

Н. - Ты хочешь сказать, что если мы возьмем транзистор структуры п-р-п, то его эмиттер надо сделать отрицательньш 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 р) свободные электроны из эмиттера, который состоит из полупроводника типа п, А так

Змиттер База Коллентоу

Рис. 23. Создавая поток электронов из эмиттера в базу, источник напряжения £"6-3 крывает им дорогу через коллектор.

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

Мгтроамперы базы и миллиамперы коллектора

л. - Между базой и эмиттером обычных маломощных транзисторов прикладывают напряжение порядка 0,2 в. При этом в цепи базы проходит ток в несколько десятков микроампер. Напряжение же, прикладываемое между коллектором и эмиттером, может составлять 5-10 в и больше. Ток коллектора бывает от 0,5 ма до нескольких миллиампер.

Н. - Одним словом, эмиттер впрыскивает в базу некоторое количество электронов, небольшая часть которых сразу же возвращается к эмиттеру через источник напряжения £б-э (это те электроны, которые во время своего короткого пробега по базе имели несчастье повстречаться с дырками), но большая часть электронов продолжает свой путь; они пересекают второй переход, входят в коллектор и возвращаются к эмиттеру через источник напряжения £к-э. Я уже догадался, что усилительное действие транзистора заключается в том, что ток коллектора значительно больше тока базы.

Л. - Ты несколько спешишь, но ты не ошибаешься. Усиление заключается в том, что ток коллектора зависит в основном от тока базы и меняется пропорционально изменениям последнего. Вообще ток коллектора в несколько десятков раз больше тока базы. Вот, например, кривая, показывающая, как изменяется ток коллектора в зависимости от тока базы для одного из транзисторов (рис. 24), Будь внимателен, Незнайкин! Ток базы выражен здесь в микроамперах, а ток коллектора - в миллиамперах. Проявив достаточную наблюдательность, ты заметишь, что ток коллектора за вычетом начально.=о тока, существующего в отсутствие

тока базы, всюду в 50 раз больше тока базы. В этом случае говорят, что усиление по току равно 50.

Н. - А как снимается такая кривая?

Л. - Очень просто. Изменяя при помощи потенциометра прикладываемое между базой н эмиттером напряжение (рис. 25), надо измерять соответствующие друг другу значения тока базы (микроамперметром) и тока коллектора (миллиамперметром).

Н. - Любозиайкин, у меня есть одна идея. Вместо того чтобы крутить ручку потенциометра и изменять тем самым напряжение между эмиттером и базой, давай приложим последовательно с источником постоянного напряжения Еб-э какой-нибудь сигнал, например высокочастотное напряжение из антенны или низкочастотное напряжение, получаемое после

50 100 150 гоо

Ток базы, мка

Рис. 24. Зависимость тока коллектора 1 (в миллиамперах) от тока базы /д (в микроамперах). Между точками А и S ток базы увеличивается от 50 до 100 мка, т. е. на 50 мка, или 0,05 ма. Ток коллектора между этими же точками возрастает от 3 до 5,5 ма, т. е. на 2,5 ма. Следовательно, усиление по току составляет 2,5:0,05 = 50 раз.

детектирования (рис. 26). Вызывая таким образом небольшие изменения тока базы, мы получим значительные изменения тока коллектора.

Эмиттер база Коллектор

Эмиттер База Коллектор

7"

4s>

Источник переменного напряжения

Ек-э

Рис. 25. Схема, при помощи которой можно снять характеристику, изображенную на рис. 24. При каждом поло- жении движка потенциометра R измеряются значения тока базы и тока коллектора.

Рис. 26. Между базой и эмиттером приложено переменноенапряжение. Сразу же появляется переменная составляющая тока в цепи.

Сходства и различия

л. - Браво, Незнайкин! Как ты додумался до такой блестящей идеи?

Н. - Видишь ли, мне в этот момент представилась аналогия между транзистором и электронной лампой. Вот, например, база, ведь она удивительно похожа на сетку. Так же как и сетка, она размещена между -эмиттером и коллектором, будто между катодом (он ведь тоже эмитти-рует электроны) и анодом (а он-то их собирает). И так же как небольшие изменения потенциала сетки вызывают значительные изменения анодного тока, здесь слабые изменения напряжения в цепи базы создают значительные изменения тока коллектора. Ура! Я понял суть транзистора! Разве я не один из ясновидцев?

I ) I