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

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 10 страниц)

Н. – А что делают с кремнием?.

Л. – То же самое, только при более высокой температуре: если германий плавится при 940 °C, то для плавления кремния нужно 1420 °C.

После очистки-кристаллизация

Н. – А почему таким образом очищенный полупроводниковый материал нельзя непосредственно использовать для изготовления транзисторов? Разве он не кристаллический?

Л. – Он кристаллический, но это еще не такие кристаллы, какие нужны нам. После зонной очистки слиток состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Нам же нужна исключительно правильная, единая для всего куска германия кристаллическая решетка, ориентацию которой мы должны знать. Такую единую решетку, образующую монокристалл, получают путем выращивания кристалла вокруг маленького кристаллика, именуемого «затравкой».

Н. – В свое время я забавлялся, выращивая красивые кристаллы; для этого в стакан с крепким раствором поваренной соли я опускал нитку с приклеенным крохотным кристалликом соли. За неделю вокруг этого кристаллика образовывался чудесный прозрачный куб. Не таким ли образом выращивают кристаллы полупроводника?

Л. – Принцип тот же, но вместо раствора используют очищенный германий в расплавленном состоянии. В него опускают затравку, укрепленную на нижней части стержня, который вращается вокруг своей оси и одновременно очень медленно поднимается (рис. 35).

Рис. 35. Вытягивание монокристалла. Находящийся в тигле полупроводниковый материал поддерживается в расплавленном состоянии с помощью высокочастотного нагрева.

Вокруг затравки атомы германия (или кремния) выстраиваются в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевает, обволакивая затравку. В результате этого процесса через несколько часов получают монокристаллический стержень диаметром в несколько сантиметров, длиной до 30 см, массой 1 кг и больше. Из него можно сделать тысячи транзисторов.

Н. – Одним словом, этот монокристалл представляет собой полупроводник высокой чистоты.

Л. – Нет, я забыл сказать тебе, что в расплавленную массу, из которой вытягивают монокристаллы, добавляют примесь типа р или n, так как для изготовления транзистора обычно требуется материал, содержащий определенную примесь в нужном количестве. Тогда одна из областей будущего транзистора, например база, уже будет готова.

А теперь немного механики

Н. – Ты сказал мне, что из одного монокристалла делают тысячи транзисторов; значит ли это, что его дробят на мелкие кусочки?

Л. – Разумеется. Для начала монокристалл режут, как обычную колбасу, на ломтики или пластинки толщиной от 0,1 до 2– мм. Такая тонкая операция производится алмазной дисковой пилой. Можно применять также ленточную пилу, состоящую из вольфрамовых нитей с абразивным покрытием. Затем каждая пластинка в свою очередь разрезается на маленькие квадратики со стороной в несколько миллиметров. Один такой квадратик с размером 2x2 мм при толщине 0,5 мм весит всего лишь 0,01 г. Ты можешь подсчитать, что теоретически одного монокристалла в 5 кг достаточно на полмиллиона транзисторов! В действительности же при обработке немалая часть монокристалла превращается в отходы, что снижает выход годных транзисторов.

Метод чередующихся ядов

Н. – Все же их получится внушительное количество, даже если предположить, что половина материала идет в отходы. Однако как эти чешуйки германия превращают в готовые транзисторы?

Л. – «Отравляя» такую чешуйку с обеих сторон примесью другого типа по сравнению с содержащейся в самой чешуйке. Например, если чешуйка вырезана из монокристалла с примесью типа n, то с обеих сторон в чешуйку вводят примесь типа р с тем, чтобы образовать эмиттер и коллектор транзистора типа р-n-р.

Н. – Уважаемый Любознайкин, у меня блестящая идея: почему бы не выпускать «полностью испеченные» транзисторы, вводя обе примеси сразу ж при вытягивании кристалла. Например, в начале вытягивания в расплавленную массу полупроводника можно было бы бросить примесь тала р, хотя бы индий. Затем после образования зоны р и выведения ее из расплава в последний можно было бы бросить примеси типа n, например мышьяк, чтобы получить зону с проводимостью типа n. Затем следовало бы добавить индия, чтобы акцепторы стали основными носителями зарядов, что снова дало бы нам зону р, и т. д. В конечном итоге мы получили бы стержень германия с чередующимися зонами типов р и n. Достаточно было бы разрезать его на пластинки с зоной типа n посередине, чтобы получить транзисторы типа р-n-р, и с зоной типа р посередине, чтобы получить транзисторы типа n-р-n. Согласись, Любознайкин, что иногда мне приходят в голову гениальные идеи!

Л. – Что мне нравится в тебе, так это скромность… К сожалению, твоя идея не нова. Она давно известна и лежит в основе изготовления так называемых выращенных или «тянутых» переходов. Метод этот неэкономичен, так как полученные с его помощью зоны обладают довольно большой толщиной. Кроме того, прибавляя каждый раз примесь то одного типа, то другого, непрерывно повышают содержание примесей в поочередно образуемых зонах, что также не лишено недостатков. Тем не менее метод выращивания переходов применяется еще и в наши дни, особенно при изготовлении транзисторов из кремния.

Сплавные транзисторы

Н. – Я еще раз убеждаюсь, что родился слишком поздно… Но вернемся к нашим чешуйкам – объясни мне, как на них формируют эмиттер и коллектор.

Л. – Для этого в зависимости от желаемой структуры транзистора применяют различные методы. Чаще всего процесс сводится к «отравлению» базы, т. е. введению в нее примесей другого типа, чем содержащиеся в материале базы. Наиболее простой и наиболее часто используемый метод заключается в накладывании на обе стороны пластинки германия типа n, служащей базой, маленьких кусочков («навесок») индия и быстром нагревании примерно до 600 °C. При этой температуре индий сплавляется с находящимся под ним слоем германия, несмотря на то что сам германий плавится только при 940 °C.

При остывании насыщенные индием области сплавления рекристаллизуются и приобретают проводимость типа р. Так получают транзистор структуры р-n-р (рис. 36).

Рис. 36.Схематический разрез сплавного транзистора структуры р-n-р.

Как мы уже говорили раньше, пластинка, образующая коллектор, больше пластинки эмиттера. Это облегчает тепловой режим транзистора (на коллекторе рассеивается большая мощность) и улучшает его усилительные свойства. Операцию сплавления проводят при тщательно подобранных температуре и времени нагрева, добиваясь того, чтобы остающаяся между расплавленными областями часть чешуйки, образующая базу, составляла менее одной двадцатой доли миллиметра. Транзисторы, изготовленные таким способом, называются сплавными; они применяются в области низких и умеренно высоких частот (на длинных и средних волнах).

Метод пара и диффузии

Л. – Так, начнем с вопроса о мощности. Кто говорит ватты – говорит калории. Для получения достаточной мощности при небольшом напряжении, типичном для транзисторов, необходимо прибегать к большим токам.

Н. – Разумеется, потому что мощность равна напряжению, умноженному на ток.

Л. – Браво! Но эти токи, проходя через переходы, имеющие малое сечение, выделяют на них тепло, а ты знаешь, как плохо полупроводники выдерживают температуру.

Н. – И какое же средство против этого ты предлагаешь?

Л. – Прежде всего нужно увеличить сечение полупроводника, следовательно, делать транзисторы с относительно большой площадью. Затем следует облегчить отвод тепла, укрепив для этого коллектор на большой металлической пластинке, служащей радиатором. Медь является прекрасным проводником тепла, ее и рекомендуется использовать для этой цели.

Н. – Значит, рациональное использование транзисторов требует знания законов теплотехники. Если я правильно понял, мне следует заняться изучением и этой науки, бедная моя головушка!

Л. – Успокойся, Незнайкин, для расчета распространения тепла можно пользоваться правилами расчета тока в электрических цепях; получаемые результаты вполне убедительны…

Но вернемся с мощным транзисторам. Я должен тебе сказать, что их часто изготовляют методом диффузии. Поместив пластинки полупроводника в атмосферу газа, содержащего пары примесей, которые должны образовать эмиттер и коллектор, нагревают полупроводниковые пластинки до температуры, близкой к их точке плавления. Атомы примесей постепенно проникают в полупроводник. Операция длится несколько часов. Это означает, что, дозируя содержание примесей в газе и регулируя длительность диффузии, можно точно определять глубину проникновения примесных атомов в материал базы. Кроме того, этот метод позволяет получать эмиттер и коллектор с необходимой для мощных транзисторов большой площадью.

Н. – Тем лучше, но что же тогда препятствует работе транзисторов на высоких частотах?

Два препятствия

Л. – Два фактора: время пробега и емкость.

Н. – О каком пробеге ты говоришь?

Л. – О проходе носителей заряда через базу от эмиттера к коллектору. Этим временем пренебрегать нельзя, потому что, как я тебе уже говорил; электроны и дырки перемещаются с довольно ограниченными скоростями. Возьмем, например, электроны, пробегающие за секунду 40 м. Допустим, что нам удалось сделать базу толщиной в 0,1 мм. Значит, для пробега этого пути электрону потребуется 2,5 мкс.

Н. – Ну, это не так много.

Л. – И тем не менее для сигнала частотой в 1 МГц это слишком много, так как период такого колебания имеет длительность всего лишь 1 мкс и нашему электрону-увальню за время его неторопливого путешествия через базу придется дважды менять теми. Вот мы и столкнулись с тем, что транзистор не способен усиливать токи, частота которых превышает несколько сотен килогерц^[8].

Н. – Какая трагическая ситуация! И я вижу один только выход: уменьшить толщину базы. Это возможно?

Л. – Да, и я расскажу тебе о средствах достижения этой цели. Но надо учитывать второй опасный фактор: емкости р-n переходов.

Н. – А чем эти емкости нам мешают?

Л. – Разве ты забыл о том вреде, который причиняют паразитные емкости в ламповых схемах? Здесь они вызывают те же трудности. Емкостное сопротивление, которое они оказывают прохождению тока, тем меньше, чем выше частота токов. В результате токи высокой частоты не идут по предназначенной им дороге, а удирают через паразитные емкости.

Н. – Действительно, эти емкости подобны ячейкам в решете, которое способно удержать только крупные орехи, а если попытаться наполнить его горохом, то он весь высыплется… Следовательно, чтобы наш транзистор работал на высоких частотах, нужно уменьшить площади эмиттера и коллектора. Ведь это должно уменьшить их емкости.

Тетрод, который им не является

Л. – Правильно. Попутно заметь, что есть окольный способ снизить эффективную емкость, не уменьшая при этом чрезмерно площади переходов, что сильно ограничило бы рассеиваемую мощность. Это осуществлено в полупроводниковом тетроде. Я спешу сказать тебе, что работа этого прибора не имеет никакой аналогии с работой вакуумного тетрода… Здесь четвертый электрод размещается на базе с противоположной от основного вывода стороны и его потенциал имеет противоположный знак (рис. 37).

Рис. 37. Принцип действия полупроводникового тетрода. Контакт с потенциалом —6 В, помещенный напротив вывода базы, отталкивает электроны, сокращая эффективное сечение базы.

В этих условиях только часть эмиттерного перехода, прилегающего к основному выводу базы, получает прямое смещение, обеспечивающее впрыскивание носителей зарядов. Соответственно поток этих носителей прижимается к одной стороне базы, и таким образом удается значительно снизить эффективное сечение транзистора, что приводит к уменьшению роли емкости р-n переходов^[9].

Уменьшение толщины базы

Н. – Совсем неглупо придумали – сузить поток электронов или дырок! Но каким образом удастся уменьшить толщину базы?

Л. – Это достигается путем вырезания с каждой стороны базы своего рода воронок или лунок. Донышки обеих лунок разделяет в этом случае расстояние всего лишь в несколько микрон. Затем в них осаждают немного индия.

Н. – Тебя послушаешь, так это очень просто. Но я сомневаюсь в точности инструмента, используемого для вырезания этих углублений.

Л. – Этим инструментом служат очень тонкие струйки жидкости, по которым через германий проходит постоянный ток. В результате электролиза, а именно на этом явлении и основан процесс обработки, атомы отрываются от полупроводника. В конце операции изменяют направление тока и благодаря тому же электролизу атомы индия из соответствующего электролита осаждаются на поверхность только что вырезанных углублений (рис. 38).

Рис. 38. Процесс изготовления поверхностно-барьерного транзистора и разрез такого транзистора.

Н. – Чудесно! Но как точно узнают тот момент, когда база стала достаточно тонкой?

Л. – Измеряя электрическое сопротивление между двумя струйками жидкости. Изготовленные этим способом транзисторы (их называют поверхностно-барьерными) могут использоваться на частотах, достигающих 100 МГц.

Н. – Во всяком случае, они должны хорошо работать в диапазоне коротких волн.

Л. – Другой способ уменьшения толщины базы заключается в применении двойной диффузии. Чтобы сделать транзистор структуры p-n-p берут пластинку полупроводникового материала типа р…

Н. – Ты ошибаешься, Любознайкин.

Л. – Совсем нет. Сейчас ты увидишь, как все происходит. Пластинку подвергают действию паров только с одной стороны. Пары одновременно содержат примеси обоих типов, причем одна из примесей (обычно донорная) имеет скорость проникновения несколько большую, чем другая (акцепторная), но концентрация последней выше. В результате впереди слоя типа р образуется тонкий слой типа n и мы имеем транзистор структуры р-n-р, у которого база может иметь толщину всего лишь в одну тысячную долю миллиметра (1 мкм) и который способен усиливать на частотах до 400 МГц.

Н. – Действительно, остроумное решение.

Л. – Не менее остроумен метод изготовления дрейфовых транзисторов, у которых прилегающий к эмиттеру слой базы содержит большее количество примесей (в случае структуры р-n-р доноров), с тем чтобы увеличить проводимость. При этом проникающие в базу электроны получают значительное ускорение, что позволяет отодвинуть частотный предел транзисторов до 1000 МГц.

Н. – Все лучше и лучше! А развивая твою мысль, нельзя ли уменьшить емкость между коллектором и базой, разведя эти электроды и не увеличивая при этом толщины базы?

Отдаление базы

Л. – А каким средством ты предполагаешь достичь этой цели?

Н. – Я хотел бы проложить между базой и коллектором слой нейтрального германия, который не имел бы проводимости ни типа р, ни типа n, но увеличил бы расстояние между электродами.

Л. – Это, мой друг, совсем неглупое предложение, и оно осуществлено в транзисторах под названном p-n-i-p, где буква i обозначает слой германия с собственной проводимостью (рис. 39).

Рис. 39. Две возможные структуры транзистора с зоной собственной проводимости между базой и коллектором.

Н. – Черт возьми! Меня еще раз опередили!

Когда встает вопрос о горах

Л. – Весьма сожалею, Незнайкин… В заключение мне хотелось бы рассказать тебе еще об одной модели транзистора для высоких частот, в производстве которого используется метод двойной диффузии. Для изготовления такого транзистора берут полупроводник типа р, который будет служить коллектором, и методом диффузии создают слой примесей типа n, который будет служить базой. Затем с той же стороны также с помощью диффузии вводят примеси типа р, которые, сокращая толщину базы до величины 0,002 мм, образуют эмиттер.

Хитрость заключается в том, что последняя диффузия производится через маску, с тем чтобы подвергать воздействию только узкие полоски поверхности полупроводника. Эта поверхность после такой обработки (рис. 40, а) представляет собой чередующиеся полоски типа р (эмиттер) и n (база). Затем на эту поверхность наносят капельки воска так, чтобы каждая из них одновременно прикрывала и зону n, и зону р (рис. 40, б).

Диаметр такой капельки не превышает четверти миллиметра. Пластинку полупроводника после этого опускают в раствор, стравливающий не защищенные воском участки. Произведенное таким образом травление уменьшает толщину всей пластинки и обнажает исходный материал типа р повсюду, кроме маленьких участков, которые были покрыты воском. После удаления воска пластинка оказывается покрытой крохотными бугорками (рис. 40, в), к каждому из которых можно припаять выводы базы и эмиттера (они делаются из золотой проволоки диаметром 0,025 мм).

Рис. 40. Последовательные этапы изготовления мезатранзистора.

Н. – Как можно работать с такой тонкой проволокой?

Л. – Под бинокулярным микроскопом, но, конечно, предварительно пластинка полупроводника травится и разрезается на кусочки по числу бугорков, из которых каждый превращается затем в транзистор. Эти транзисторы называют «меза», название, которое в Южной Америке служит для обозначения горных плато с обрывистыми краями. Мезатранзисторы свободно преодолевают границу 100 МГц, т. е. работают на волнах короче 3 м.

Н. – Какой тщательности и какого внимания требует изготовление этих микроскопических гор!

Последние стадии производства

Л. – Не думай, Незнайкин, что работа завершена, когда путем сплавления, электролиза или диффузии создали эмиттер, базу и коллектор. Заметь попутно, что в этих трех методах соответственно используют твердые, жидкие и газообразные вещества.

Н. – А что же еще остается сделать, чтобы транзистор окончательно был готов ко всем превратностям судьбы?

Л. – Обработать его поверхность в кислоте и создать условия для изумительной продолжительности жизни, смонтировав его с достаточной жесткостью, обеспечивающей высокую устойчивость против ударов и вибрации. И, наконец, закрыть его в герметичный и непрозрачный корпус, чтобы защитить от влажности и света – смертельных врагов полупроводников.

Н. – Почему?

Л. – Потому что, как я тебе уже говорил, световые лучи могут изменить проводимость полупроводников и вызвать электронную эмиссию. Эти явления используются в фотодиодах и фототранзисторах.

Но обычный транзистор должен быть защищен от света. Поэтому он помещается в пластмассовую капсулу или металлический корпус. Корпус транзистора часто заполняют нейтральным газом (например, азотом) или особыми желеобразными веществами. Присоединение выводов нередко представляет собой проблему, так как нужно создать чисто омические контакты между каждой из трех областей транзистора и соответствующими проволочками, любой ценой предотвращая образование паразитных р-n переходов.

Н. – Теперь, когда мы подводим итоги, я вижу, что для изготовления транзисторов нужно одновременно знать физику, химию и механику. Это слишком много. Я предпочел бы покупать транзисторы, если только…

Л. – Какую еще нелепую мысль ты собираешься мне изложить?

Полевой транзистор

Н. – Мне думается, что можно изготовлять транзисторы без базы, без эмиттера и без коллектора. Почему бы не взять простой стерженек германия или кремния, намотать посередине его кольцо, на которое и подавать усиливаемое напряжение?

Создаваемое таким образом электрическое поле в большей или меньшей степени сузило бы поток носителей зарядов, проходящих от одного конца стерженька к другому, и ток в стерженьке модулировался бы точно так же, как это происходит в вакуумном триоде под воздействием потенциала сетки (рис. 41).

Рис. 41. Полевой транзистор.

Л. – Бедный мой Незнайкин!..

Н. – Чего же не хватает в моих рассуждениях?

Л. – В них все правильно, только прибор, который ты только что изобрел, уже давно существует. Он называется полевым транзистором. На него несколько похож изобретенный во Франции текнетрон, который объединяет преимущества транзисторов и вакуумных ламп.

Н. – Наш полевой транзистор настолько похож на вакуумный триод, что у меня возникает желание назвать катодом ту сторону, через которую ток входит, анодом – сторону, через которую он выходит, а сеткой – расположенное посередине кольцо, на которое подается усиливаемое напряжение.

Л. – Ничто не мешает тебе применять эти названия, хотя обычно используются другими терминами: исток вместо катода, сток вместо анода и затвор вместо сетки (рис. 42).

Рис. 42. Устройство полевого транзистора и схема его включения.

Роль сетки выполняет слой или две зоны полупроводника с проводимостью, обратной проводимости стерженька. Эти зоны, создаваемые методом сплавления или методом диффузии, располагаются по обе стороны средней части стерженька. Если стерженек сделан из полупроводника типа n, то затвор образуется двумя зонами из полупроводника типа р. Усиливаемое напряжение прилагается между затвором и истоком; затвор делается более или менее отрицательным относительно истока…

Н. – Точно так, как сетка относительно катода. В этом случае никакой ток не сможет протекать от затвора типа р к массе стерженька типа n, так как эти участки образуют диод, расположенный таким образом, что он не пропускает это напряжение. В этих условиях полное входное сопротивление нашего полевого транзистора в отличие от обычных транзисторов должно быть очень высоким.

Л. – Совершенно верно, дорогой Незнайкин. Ты видишь, насколько глубока аналогия с вакуумным триодом, хотя в зависимости от полярности приложенного напряжения ток может протекать в том или ином направлении. А отрицательные электрические поля, создаваемые затвором в массе стерженька, в большей или меньшей степени сдавливают поток электронов, идущий от истока к стоку, соединенному с положительным полюсом источника высокого напряжения; это напряжение может достигать 60 В.

Н. – Иначе говоря, здесь мы имеем дело уже не с усилением по току, а с усилением по напряжению. И я думаю, что его можно охарактеризовать крутизной, замерив, на сколько миллиампер изменяется ток исток – сток при изменении напряжения затвор – исток на 1 В.

Л. – Ты, мой друг, прав. И я должен сказать, что некоторые полевые транзисторы имеют крутизну 10 мА/В и даже выше. Я рад, что полевой эффект благотворно сказывается на тебе и стимулирует твои умственные способности… Чтобы полностью завершить эту тему, я добавлю, что существует особая разновидность этих транзисторов, сокращенно называемая МОП (от «металл-окисел-полупроводник»). В этих приборах зоны, образующие затвор, покрыты гонким слоем диэлектрика (двуокиси кремния), на который нанесен слой металла. Усиливаемые сигналы подаются на этот слой, образующий одну обкладку конденсатора; второй обкладкой служат зоны затвора. В полевых МОП транзисторах входное сопротивление практически бесконечно.

Н. – Но этого я не могу сказать о моем сопротивлении усталости. Остановимся на этом, чтобы все новые понятия в моем бедном мозгу пришли в порядок.

Беседа шестая

ЦАРСТВО КРИВЫХ

Для того чтобы применять транзисторы, надо знать их основные характеристики. Последние, как и характеристики ламп, могут выражаться значениями основных параметров или в виде графиков, показывающих, как некоторые токи и напряжения изменяются в зависимости от других. Однако для транзисторов графическое изображение характеристик особенно ценно, ибо каждая переменная величина влияет на большинство других. Вот почему двое наших друзей проделают очень полезную работу, рассмотрев различные параметры и характеристики транзисторов.

_{Содержание: Схема для снятия характеристик. Характеристики Iб = f(Uб) и Iк = f(Uб). Крутизна. Усиление по току. Входное сопротивление. Связь между крутизной, внутренним сопротивлением и усилением по току. Насыщение. Семейство характеристик. Аналогия с пентодом. Предельная мощность. Выходное сопротивление. Определение параметров по семейству статических характеристик.}

Инициатива Незнайкина

Любознайкин. – Черт возьми! Что я вижу! Что означает это скопище измерительных приборов, батарей и потенциометров на твоем столе?

Незнайкин. – Очевидно, ты не видишь главного, и на это есть причины. Ведь рядом с вольтметрами и амперметрами транзистор выглядит совсем маленьким. А он тем не менее виновник сегодняшнего торжества.

Л. – Но какова цель всего этого нагромождения приборов?

Н. – А ты помнишь, как мы снимали характеристики электронных, ламп: изменения анодного тока в зависимости от сеточного напряжения или от анодного напряжения? Ну вот, я и хотел снять аналогичные характеристики для своего транзистора.

Л. – Похвальная инициатива! И тебе удалось достичь цели?

Н. – И да, и нет… Как видишь, достаточно уклончивый ответ. Но меня смущает тот факт, что у лампы мы учитывали три величины: анодный ток I_а, напряжение анод – катод U_аи напряжение сетка – катод U_c, а у транзистора нужно учитывать четыре: ток коллектора I_к, напряжение коллектор – эмиттер U_к, напряжение база – эмиттер U_б и ток базы I_б.

Л. – Все это правильно. Действительно, кроме исключительных случаев, лампы работают без сеточного тока. В транзисторах же ток базы играет первостепенную роль.

Рациональная схема

Н. – Вот схема, которую я придумал для снятия этих четырех величин (рис. 43).

Рис. 43. Схема, используемая для снятия характеристик транзистора.

Л. – Здесь я вижу потенциометр R₁, который служит для изменения по желанию напряжения между базой и эмиттером; это напряжение измеряется вольтметром U_б. Кроме того, у тебя есть потенциометр R₂, служащий для изменения напряжения коллектор – эмиттер, измеряемого вольтметром U_к. Ты измеряешь ток базы микроамперметром I_б, а ток коллектора – миллиамперметром I_к. Поздравляю тебя, Незнайкин: с твоей схемой можно проделать хорошую работу! Что же у тебя не ладится?

Н. – У меня складывается впечатление, что я стал жертвой той самой шутки, которую я еще мальчишкой проделывал с нашей кухаркой Меланьей.

Л. – В чем же заключалась твоя шутка?

Н. – Однажды вечером я тонкой проволокой соединил все кастрюли между собой, и когда Меланья захотела взять одну из них, вся кухонная батарея обрушилась ей на голову.

Л. – Это, к сожалению, делает честь лишь твоему воображению. Но я все еще не вижу…

Н. – А тем не менее, это очевидно. У меня сложилось впечатление, что стрелки моих приборов связаны между собой невидимыми нитями, как кастрюли Меланьи. Достаточно одной из них покачнуться, как две другие немедленно приходят в движение. Например, когда я поворачиваю ручку потенциометра R₁, изменяя тем самым напряжение базы U_б, одновременно изменяется ток базы I_б, а также и ток коллектора I_к.

Две первые характеристики

Л. – А разве это не нормально? Этим ты демонстрируешь сам принцип действия транзистора. Прилагая между базой и эмиттером возрастающее напряжение, ты повышаешь ток, идущий от эмиттера к базе, и тем самым увеличиваешь ток, идущий от эмиттера через базу к коллектору.

Н. – Разумеется. Это полностью аналогично влиянию сетки на анодный ток в вакуумной лампе. Кстати, вот две кривые, которые я снял, регулируя потенциометром R₁напряжение U_б и записывая для каждого его значения величины I_б и I_к(рис. 44 и 45).

Рис. 44. Зависимость тока базы I_б от напряжения база – эмиттер U_б. На этом рисунке, как и на всех остальных, где изображены характеристики транзистора, полярность напряжений базы и коллектора не указана. Потенциалы обоих электродов положительны относительно эмиттера у транзисторов структуры n-р-n и отрицательны у транзисторов структуры р-n-р.

Рис. 45. Зависимость тока коллектора I_к от напряжения бaза – эмиттер U_б.

Л. – Очень хорошо, Незнайкин. Я вижу, что ты испытываешь транзистор средней мощности, потому что коллекторный ток достигает здесь значительной величины – порядка полуампера…

Твоя первая кривая, где взаимодействую только два элемента – эмиттер и база, характеризует зависимость тока базы от потенциала базы по отношению к эмиттеру и является характеристикой диода, образованного эмиттером и базой.

Н. – Правда! Ток увеличивается сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Я вижу, что эта кривая не представляет большого интереса, но, думаю, что другая кривая, отражающая изменение коллекторного тока в зависимости от напряжения базы, имеет большое значение.

Незнайкин знакомится с обманчивой крутизной

Л. – Не увлекайся, мой друг. Вторая кривая действительно очень показательна. Она, в частности, показывает нам, что крутизна транзистора не постоянна и изменяется в зависимости от величины напряжения.

Н. – Как? Разве, имея дело с транзисторами, тоже говорят о крутизне? Для ламп – это отношение небольшого изменения анодного тока к вызвавшему его небольшому изменению сеточного напряжения.

Л. – Да, здесь по аналогии мы также определим крутизну^[10] как отношение небольшого изменения ΔI_к к вызвавшему его небольшому изменению ΔU_б. Обозначив крутизну буквой S, получим:

Часто этот параметр транзистора называют полной проводимостью прямой передачи и обозначают Y₂₁.

Крутизна у транзисторов, как и у ламп, выражается в миллиметрах на вольт.

Н. – Я действительно заметил, что при повышении напряжения базы крутизна нашего транзистора возрастает. При переходе от 0,2 к 0,4 В ток увеличился всего на 50 мА, а при повышении напряжения базы от 0,6 до 0,8 В он увеличился примерно на 180 мА. Следовательно, в первом случае мы имеем крутизну 50: (0,4–0,2) = 250 мА/В, а во втором случае 180: (0,8–0,6) = 900 мА/В. Чудовищно! У лампы никогда нельзя получить такой крутизны.

Л. – Однако не делай слишком поспешных выводов о том, что усиление транзистора действительно так велико. Здесь роль крутизны значительно скромнее, так как в конечном итоге решающее значение имеет влияние тока базы на ток коллектора.

Опасно! Ограниченная мощность

Н. – Я обнаружил это, когда снимал зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б для двух значений напряжения U_кна коллекторе: 2 и 10 В (рис. 46).

Рис. 46. Зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б при двух значениях напряжения коллектора U_к

Л. – А почему часть кривой для этого последнего напряжения U_к = 10 В проведена пунктиром?

Н. – Потому что она нанесена условно. Я не хотел, чтобы коллекторный ток превысил 35 мА, так как предельная мощность транзистора составляет 350 мВт (в инструкции выпустившего его завода недвусмысленно сказано об этом). Ток в 35 мА при напряжении в 10 В дает как раз эту предельную мощность, а я же хотел превышать ее, чтобы не погубить плод трудов своих.

Л. – Ты действовал мудро, и мне остается лишь тебя поздравить. Обрати внимание, что кривые, показывающие изменение I_к под воздействием I_б, чаще всего приближаются к прямой линии. Впрочем, в этом мы уже имели возможность убедиться, рассматривая рис. 24.

Н. – Правда, я вспоминаю, что эти кривые позволяют определить коэффициент усиления по току β, который показывает, во сколько раз изменения тока коллектора больше изменений тока базы (этот важный параметр транзистора называют иногда коэффициентом передачи тока и обозначают h₂₁).