Текст книги "Транзистор?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)

Л. – И да, и нет, мой дорогой друг. В следующий раз я объясню тебе, что означает мой достойный древнегреческого оракула ответ.

Беседа вторая

ПЕРЕХОДЫ

Примеси, содержащиеся в полупроводниках даже в ничтожных количествах, резко изменяют электрические свойства этих материалов. Двое наших друзей изучают здесь, что происходит, когда чужеродные атомы нарушают правильную структуру кристаллической решетки.

_{Содержание: Собственная проводимость. Фоторезисторы и фотоэлементы. Примеси. Доноры. Дырки. Акцепторы. Полупроводники типов р и n. Переход. Потенциальный барьер. Прямое и обратное напряжения. Напряжение пробоя. Диод. Выпрямление тока полупроводниками.}

Спокойная семейная жизнь атомов

Незнайкин. – Я много думал о твоих кристаллических решетках и даже пошел во Дворец открытий^[4] посмотреть модели, изображающие структуру различных кристаллов. Эти модели очень красивы: разноцветные маленькие шарики, изображающие атомы, соединены металлическими трубочками, представляющими собой валентные связи.

Любознайкин. – Поздравляю, что ты с такой пользой провел свой досуг. А к чему же привели твои размышления?

Н. – К идее, что кристалл германия похож на большое количество семей, каждая из которых имеет по четыре ребенка, а каждый ребенок одной семьи женат на ребенке одной из четырех соседних семей. Таким образом, по супружеским связям каждая из семей породнилась с четырьмя другими (рис. 9).

Рис. 9. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде схемы, хотя в действительности межатомные связи расположены не в одной плоскости, а в пространстве.

Л. – Ты нарисовал совсем неплохую картину, она даже поможет объяснить тебе дальнейшее. Действительно, в описанном тобой исключительно уравновешенном обществе нельзя ожидать больших потрясений, если все пары будут сохранять безупречную верность. И в нашем кристалле германия все электроны должны оставаться крепко привязанными к своим атомам прочными валентными связями.

Н. – Но что ты сделаешь с человеческими страстями?

О нескольких разводах

Л. – Ты, как я вижу, прочитал какой-нибудь сентиментальный роман… Ну, ладно. Точно так же, как людьми движут страсти, атомы подвержены тепловому воздействию, которому время от времени удается вырвать из той или иной связи электрон и освободить его. А ты знаешь, что когда электроны свободны…

Н. – …тело становится проводником тока. Много ли свободных электронов в германии при нормальной температуре?

Л. – Нет, очень мало. Едва ли два электрона на 10 миллиардов (т. е. на 10¹⁰) атомов. Это примерно такое соотношение, как если бы на удвоенное население земного шара был только один свободный человек.

Н. – Какая ужасная картина! Но если это так, то германий должен быть очень плохим проводником?

Л. – Да, и именно по этой причине его назвали полупроводником. Заметь, однако, что в одном грамме германия имеется десять тысяч миллиардов (или 10²²) атомов, так что в нем содержится около двух тысяч миллиардов (или 2·10¹²) свободных электронов. Это лучше, чем ничего… и такого количества достаточно, чтобы пропустить небольшой ток.

Н. – Ты говоришь мне о тысячах миллиардов электронов и утверждаешь, что ток небольшой!

Л. – Значит, ты, Незнайкин, забыл, что плотность тока в один ампер соответствует прохождению 6·10¹⁸ электронов в секунду. Ты, конечно, поймешь, что наши несколько жалких тысяч миллиардов свободных электронов, разбросанных в колоссальной кристаллической решетке германия, могут создать только небольшую проводимость. Последняя обязана своим существованием тепловому движению и (обрати на это внимание) носит название собственной проводимости.

Н. – Одним словом, дело обстоит так, как если бы в нашем образцово организованном обществе изредка случались разводы и повторные браки.

Л. – Это тоже правильно. А чтобы лучше использовать твое сравнение, скажем, что иногда там может, как пишут в романах, дуть «знойный ветер страстей», вызывающий большие потрясения.

Н. – Я догадываюсь, что ты хочешь сказать: Если повышать температуру кристалла германия, то тепловое движение, становясь быстрее, высвобождает большее количество электронов. Собственная проводимость в этом случае повышается. В отличие от того, что имеет место в проводниках, сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается.

Л. – Ты хорошо рассудил, Незнайкин! Именно поэтому германий плохо работает при повышенных температурах. Нас в германии интересует не его собственная проводимость, потому что не ее используют в транзисторах. Кремний лучше выдерживает повышение температуры, так как его валентные электроны, находящиеся на третьей оболочке, крепче связаны с ядром, чем валентные электроны германия, находящиеся на четвертой оболочке. Я добавлю, что можно также высвобождать электроны, воздействуя на атомы полупроводника не тепловой, а световой энергией.

Н. – Не хочешь ли ты сказать, что фотоны, эти зернышки света, бомбардируя атомы германия, вырывают из них электроны?

Л. – Да, и это свойство позволяет делать из германия фоторезисторы, т. е. устройства, сопротивление которых изменяется под воздействием освещения. В наиболее старом из известных фотоэлементов используется селен, который также является полупроводником.

Н. – Впрочем, я пользуюсь фотоэкспонометром, в котором установлен такой элемент…

Л. – Фотоэлемент в твоем экспонометре, очевидно, сделан не из селена, а, возможно, из кадмия или кремния. Эти вещества позволяют создавать генерирующие фотоэлементы, т. е. устройства, преобразующие световую энергию в электрический ток.

Н. – Не такие ли элементы, освещаемые солнцем, питают электрическим током космические станции?

Скандалы многочисленных семей

Л. – Да, Незнайкин. А теперь мы станем свидетелями смуты в нашем так хорошо организованном обществе, введя в него семью с пятью детьми.

Н. – Что ты хочешь этим сказать?

Л. – Что среди атомов даже самого чистого германия содержатся в самых малых количествах атомы других элементов, именуемых примесями. В самом чистом германии на миллиард атомов имеется один атом примеси.

Н. – Стоит ли обращать внимание на такую малость? Ведь это все равно, что его вообще нет.

Л. – Ты неправ, когда пренебрегаешь этими примесями, потому что даже при такой ничтожной пропорции в одном кубическом сантиметре германия, который называют чистым, содержится пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных или, как их называют, примесных атомов.

Н. – Я не подумал, что этот кубический сантиметр содержит тысячи миллиардов атомов… Но что делает семья с пятью детьми? Ты хочешь сказать, что речь идет об атоме с пятью электронами на внешней оболочке?

Л. – Совершенно верно. Один пятивалентный атом, например атом мышьяка или сурьмы, проник в благородное общество атомов германия (рис. 10)… и скандал разразился!

Рис. 10. Пятивалентный примесный атом нарушил безукоризненный порядок кристаллической решетки. Что станет с пятым электроном этого атома?

Н. – Очевидно потому, что если удастся переженить четырех детей этой странной семьи с детьми четырех соседних семей, то пятый останется безнадежным холостяком?

Л. – Да, Незнайкин, четыре электрона образуют валентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки, а пятый электрон остается свободным.

Н. – Если я правильно понимаю, то, прилагая напряжение между двумя точками кристалла, можно создать там ток, ибо свободные электроны, появившиеся благодаря пятивалентным элементам, будут притягиваться положительным полюсом, а отрицательный полюс источника тока одновременно выпустит в кристалл такое же количество электронов (рис. 11).

Рис. 11. Проводимость в полупроводнике типа n. Свободные электроны (помечены знаком минус) отрываются от пятивалентных атомов, которые из-за этого становятся положительными ионами (помечены знаком плюс).

Л. – Да, такое явление в полупроводнике, содержащем пятивалентные примеси, т. е. примеси с избытком электронов. Говорят, Что это полупроводник типа n (от слова negative – отрицательный). А такие примеси часто называются донорами, так как они дают свободные электроны.

Н. – Каково обычное содержание примесей?

Л. – Максимум один атом на десять миллионов атомов германия, т. е. такая же пропорция, как четыре человека на все население Франции.

Н. – Да, однако в этом случае мы получим примесей в сто раз больше, чем их содержится в самом чистом германии. Но что станет с атомом примеси, например мышьяка, у которого оторвался свободный электрон? По-моему, он перестанет быть нейтральным и, имея теперь электронов меньше, чем протонов, станет положительным.

Л. – О, да. Как бы ни казался парадоксальным этот факт, а в германии типа n атомы примеси оказываются ионизированными положительно.

Истории с похищением детей

Н. – А что случится с нашим кристаллическим обществом, если одна из семей будет иметь лишь трех детей, иначе говоря, если в кристалл полупроводника ввести атомы, имеющие на внешней оболочке только три электрона?

Л. – Разразившийся скандал будет ничуть не меньше, чем в случае со слишком многочисленными семьями. Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. 12).

Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентный примесный атом, который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома.

Н. – Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.

Л. – Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.

Н. – Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.

Л. – Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13).

Рис. 13. В полупроводнике типа р трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.

Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.

Два потока

Н. – Значит, когда электроны, как им полагается, направляются к положительному полюсу, дырки перемещаются к отрицательному полюсу, как если бы они были частицами с положительными зарядами.

Л. – Да, действительно, все происходит так, как если бы в полупроводнике с трехвалентными примесями положительные заряды, противоположные электронам, перемещались от положительного полюса к отрицательному.

Н. – Таким образом, дырки следуют по условно принятому направлению электрического тока от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Но можно ли сказать, что здесь мы имеем электрический ток, созданный положительными зарядами?

Л. – А почему бы и нет? Не надо только забывать, что дырка представляет собой лишь свободное место, предназначенное для электрона.

Н. – Я предполагаю, что полупроводник, содержащий трехвалентные примеси, должен принадлежать к типу р (от слова positive – положительный).

Л. – Да, так его и называют. И раз уж ты сейчас настроен серьезно поразмыслить, может быть, ты скажешь мне, что происходит с атомами примеси, когда электроны с соседних атомов заполняют их дырки.

Н. – Они становятся отрицательно заряженными ионами, потому что количество электронов стало больше количества их протонов… Весьма любопытно, что в полупроводнике типа n примеси ионизируются положительно, а в полупроводнике типа р – отрицательно.

Л. – Я добавлю, что атомы примесей типа р, такие как атомы алюминия, галлия или индия, часто называют акцепторами, так как они принимают на себя электроны, тогда как атомы примесей типа n отдают их полупроводнику.

Н. – Я начинаю чувствовать, что в моей голове из всех этих доноров и акцепторов получается винегрет.

Л. – Поэтому существует маленькое правило: в слове «донор» есть буква «эн» (n), а в слове акцептор – буква «пэ» (р).

Н. – Спасибо, это несколько облегчит задачу.

Переход, представляющий собой барьер

Л. – Раз ты уже знаешь нравы кристаллических обществ, спокойствие которых нарушается экстравагантными семьями доноров и акцепторов, рассмотрим теперь, что даст объединение полупроводника типа и с полупроводником типа р. Представь себе, что, взяв чистый кристалл германия, я одну половину его «отравил», введя атомы-доноры (например, атомы мышьяка), а в другую половину ввел атомы-акцепторы (индия, если хочешь). Зона разграничения между разными типами полупроводников носит название р-n перехода. Его толщина порядка 0,3 мкм, но такая ничтожная протяженность зоны р-n перехода не мешает ей играть колоссальную роль.

Н. – Я не вижу в этом переходе ничего особенного. В каждой половине нашего кристалла электроны будут продолжать свои короткие прогулки, совершенно не ведая, что происходит в его второй половине.

Л. – Ошибаешься, друг мой. Обычный тепловой ток в этом случае будет сопровождаться другим явлением. Отрицательно ионизированные примесные атомы области р оттолкнут от перехода свободные электроны в области n.

Н. – Правда, а я и не думал об этом взаимном отталкивании одноименных зарядов… Но в этом случае положительно ионизированные атомы области и должны оттолкнуться от перехода дырки в области р.

Л. – Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области и притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-n перехода (рис. 14).

Рис. 14. Переход р-n. Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области n отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ионы донорной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.

Н. – Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-n перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их к краям кристалла. Все это очень любопытно; наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а другая с положительным потенциалом.

Л. – Да, ты очень хорошо рассудил: Переход представляет собой настоящий потенциальный барьер.

В этом тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения (в области n – не забудь этого!) к отрицательному (в области р). Но в общей сложности кристалл остается нейтральным, так как в целом положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Создав в полупроводнике области типа р и типа n, мы просто вызвали перемещение подвижных зарядов в оба конца каждой области, тогда как в отсутствие р-n перехода заряды распределяются равномерно по всему кристаллу.

Н. – Все это представляется мне совершенно ясным, но какая нам польза от этого перехода с его потенциальным барьером?

Л. – Ты сразу же ее обнаружишь, если приложишь к р-n переходу напряжение.

Электроны и дырки на прогулке

Н. – Я предполагаю, что мы получим ток, образуемый свободными электронами области n и дырками области р, причем одни движутся в одну, а другие – в обратную сторону.

Л. – Возможно, ты прав, но ты слишком спешишь. Сначала необходимо рассмотреть порознь, что происходит в нашем полупроводнике с р-n переходом при одной и другой полярности приложенного напряжения. Первоначально допустим, что положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный полюс – с областью n (рис. 15).

Рис. 15. Прохождение тока через р-n переход. На рисунке обозначены только носители зарядов: электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области n и акцепторы области р для большей ясности опущены.

Н. – Хорошо. В области n свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими из источника напряжения. Они пересекут переход и заполнят дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу.

Л. – Чтобы быть более точными, скажем, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон каждый раз, когда другой электрон преодолеет переход, перепрыгнув из области n в область р. Электрон, притянутый источником, создает дырку, которая будет заполнена электроном, расположенным ближе к переходу, на месте электрона возникает дырка и т. д, дырка будет перемещаться в сторону перехода, пока она не будет заполнена там новым электроном, пришедшим из области n.

Н. – Следовательно, я был абсолютно прав, когда сказал, что возникает ток, образуемый электронами и дырками, перемещающимися в противоположных направлениях.

Л. – Да, это правильно, когда напряжение прикладывают, как мы это сейчас сделали, в прямом направлении, т. е. присоединяют положительный полюс источника к области р, а отрицательный полюс к области n. Но если приложить напряжение в обратном направлении, то результат будет иным (рис. 16).

Рис. 16. Прилагая к р-n переходу обратное напряжение, мы лишь оттягиваем электроны и дырки от границы раздела двух областей. Таким образом, «потенциальный барьер», высота которого повышается, препятствует прохождению тока.

Н. – Почему же? Электроны отрицательного полюса источника притянут дырки области р ближе к концу кристалла полупроводника, а к другому концу кристалла положительный потенциал источника притянет свободные электроны. Вот неожиданность!.. Ведь при этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать переход, а потенциальный барьер только увеличится, значит, никакого тока мы не получим!

Л. – Не я заставил тебя говорить это. Ты сам видел, что ток может установиться только при приложении прямого напряжения, когда положительный полюс соединяется с областью р, а отрицательный – с областью n. Но если ты поменяешь полярность, то тока не будет или же будет только чрезвычайно малый обратный ток (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость обратного тока через р-n переход от приложенного напряжения. Внимание: кривая приведена не в линейном, а в логарифмическом масштабе.

Н. – Даже если приложить высокое напряжение?

Л. – Даже и в этом случае, но до известного предела. Если ты превысишь этот предел, то потенциальный барьер будет прорван и электроны устремятся лавиной: ток мгновенно станет большим. Это явление аналогично электрическому пробою диэлектрика, и напряжение, при котором оно происходит, называют пробивным напряжением р-n перехода. Это явление в некоторых случаях применяется в электронике, но мы не будем прибегать к его помощи. И для нас переход останется проводником в прямом направлении и практически диэлектриком в обратном направлении.

Обязательное одностороннее движение

Н. – Но тогда переход, проводящий только в одном направлении, представляет собой настоящий выпрямитель?

Л. – Да, тысячу раз да, дорогой Незнайкин. Если ты приложишь к нему переменное напряжение, то ток пойдет во время одного полупериода, когда напряжение окажется прямым, но не пойдет во время другого полупериода при обратной полярности напряжения (рис. 18)

Рис. 18. Диод с р-n переходом может служить выпрямителем, так же как и вакуумный диод, но в отличие от последнего он не требует напряжения накала! На нашем рисунке показан однополупериодный выпрямитель.

Н. – Как через любой диод?

Л. – Совершенно верно. И именно по этой причине р-n переход называют полупроводниковым диодом (рис. 19).

Рис. 19. Условное обозначение полупроводникового диода выбрано с учетом условного направления тока от положительного полюса к отрицательному, которое, однако, не соответствует истинному направлению движения электронов.

Как и любой другой диод, он может служить детектором (рис. 20). Он прекрасно выполняет функции детектора, а на очень высоких частотах – даже лучше, чем вакуумные диоды.

Рис. 20. Диод с р-n переходом используется в качестве детектора. Детектирование напряжения выделяется на резисторе, причем высокочастотные пульсации сглаживаются конденсатором.

Н. – А можно ли также использовать переходы в качестве выпрямителей относительно больших токов, например вместо кенотронов, выпрямляющих анодное напряжение?

Л. – Это широко распространено. Кремниевые, купроксные или селеновые выпрямители с успехом заменяют вакуумные вентили, причем обладают еще и рядом преимуществ: они прочнее, экономичнее, а их срок службы значительно больше.

Н. – Если это так, то я без колебаний провозглашу: «Да здравствуют полупроводники!»

Беседа третья

ДОБРЫЙ ДЕНЬ, ТРАНЗИСТОР!

Разобрав в предыдущей 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 р-n-р и n-р-n. Ток покоя. Ток базы. Транзисторный эффект. Усиление тока. Аналогия лампа – транзистор. Входное и выходное сопротивления. Усиление напряжения. Питание транзистора.}

Глупая шутка

Любознайкин. – Здравствуй, Незнайкин! Почему ты опоздал и почему у тебя такой разъяренный вид?

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

Л. – На ней одностороннее движение, но достаточно въехать на нее в разрешенном направлении, чтобы…

Н. – Нет больше разрешенного направления! Эти регулировщики, которые, несомненно, 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, которому 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 р-n переходов. Можно, например, объединить два р-n перехода таким образом, что их область р окажется общей; в результате получим транзистор структуры n-р-n (рис. 21).

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

Н. – Я думаю, что точно так же от объединения областей n двух р-n переходов мы получим транзистор структуры р-n-р.

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.

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, созданные в транзисторе своеобразным размещением электронов, дырок, положительных ионов (доноров) и отрицательных ионов (акцепторов).

Н. – Например, если к транзистору n-р-n мы приложим напряжение так, чтобы слева был отрицательный, а справа положительный полюс, то первый переход (n-р) свободно пропустит электроны слева направо. Но второй переход (р-n) решительно закроет им дорогу. Однако не найдется ли тем не менее несколько 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-n переход. Эти циркулирующие электроны образуют то, что называется начальным током, или током насыщения^[5].

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. – …ток 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).

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

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

Л. – Совершенно верно. Что, по-твоему, 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 n. А так 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 I_б. Большинство же проникших в базу электронов продолжит свое движение и проникнет в коллектор, откуда они будут извлечены высоким потенциалом источника напряжение E_кэ. Следовательно, они преодолеют потенциальный барьер второго перехода и, пройдя через коллектор и источник E_кэ, 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 включен 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.

Микроамперы 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 Е_бэ (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 Е_кэ. Я уже догадался, что усилительное действие транзисторов 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, график, показывающий, как изменяется ток коллектора в зависимости от тока базы одного из транзисторов (рис. 24).

Рис. 24. Зависимость тока коллектора I_к (в миллиамперах) от тока базы I_б (в микроамперах). Между точками А и Б 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.

Будь внимателен, Незнайкин! Ток базы выражен здесь в микроамперах, а ток коллектора – в миллиамперах.