Рис. 26. Между базой и эмиттером приложено переменное напряжение. Сразу же появляется переменная составляющая тока в цепи коллектора.
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 эмиттирует 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 ясновидец?
Л. — По правде говоря, триумф твой весьма скромен. Я рискую охладить твой юношеский пыл. Я должен сказать, что аналогия лампа — транзистор хотя и облегчает понимание некоторых явлении, но имеет свои ограничения, о которых не следует забывать.
Н. — Я не вижу существенной разницы.
Л. — Для начала имеется одна и весьма существенная: наличие тока базы. Вспомни, как при использовании ламп мы тщательно стараемся предотвратить возникновение сеточного тока.
Н. — Правильно. Мы подаем на сетку отрицательное смещение, чтобы помешать ей становиться положительной при пиках положительных значений сигнала, что сделало бы ее конкуренткой анода и она стала бы захватывать электроны.
Л. — Поэтому входной сигнал у лампы представляет собой напряжение, которое практически не создает никакого тока, а следовательно, здесь нет и расхода мощности. В транзисторе же напряжение входного сигнала вызывает соответствующий ток, а значит, надо говорить и о затрате мощности.
Н. — Должен ли я сделать из этого вывод, что у транзистора промежуток эмиттер — база имеет входное сопротивление и, вероятно, малое?
Л. — Разумеется. Входное сопротивление составляет всего каких-нибудь несколько сотен ом, тогда как сопротивление между катодом и сеткой вакуумной лампы практически бесконечно большое. У мощных же транзисторов это сопротивление составляет несколько ом или десятков ом. А вот выходное сопротивление транзистора, напротив, довольно высокое и может достигать нескольких десятков тысяч ом.
Н. — Ясно. Ведь к переходу эмиттер — база напряжение прикладывают в прямом направлении, что снижает сопротивление, а к переходу база — коллектор — в обратном направлении, что должно сделать его сопротивление весьма высоким. Любопытно, что выходное сопротивление у транзистора получается того же порядка, что у электронных ламп[6].
Л. — Как видишь, Незнайкин, не следует без особой необходимости и без соответствующих оговорок прибегать к аналогии лампа — транзистор. А так как мы приступили к основному вопросу — о входном и выходном сопротивлениях, ты легко поймешь, как происходит в транзисторе усиление по напряжению.
Усиление по напряжению
Н. — Я предполагаю, что небольшое переменное напряжение, приложенное между базой и эмиттером, определяет, как мы уже говорили, изменение тока базы.
Л. — И эти изменения будут тем больше, чем меньше входное сопротивление (если источник напряжения сам имеет малое внутреннее сопротивление).
Н. — Это я понимаю, так как в голове у меня постоянно сидит закон Ома, по которому ток будет тем больше, чем меньше сопротивление.
Л. — Однако ток коллектора изменяется пропорционально току базы. Следовательно, он тоже будет претерпевать значительные изменения. Но поскольку выходное сопротивление транзистора велико, мы без осложнений можем пропускать ток коллектора через большое сопротивление нагрузки…
Н. — …на котором мы выделим значительно усиленные переменные напряжения. Если память мне не изменяет, у электронных ламп отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению напряжения на сетке называется крутизной.
Можно ли в царстве транзисторов применять это понятие? В этом случае крутизной было бы отношение изменения тока коллектора к изменению напряжения базы.
Л. — Да, Незнайкин. Часто говорят о крутизне транзистора, и мы еще будем иметь случай более детально рассмотреть это понятие. Уже сейчас я могу сказать тебе, что крутизной 30 мА/В (при питании цепи коллектора током в 1 мА) никого не удивишь.
Н. — Но это здорово! С такой крутизной, очевидно, можно получить колоссальные усиления.
Л. — Увы! Нет. Как ты вскоре увидишь, низкое входное сопротивление лишает нас части преимуществ этой высокой крутизны. Кроме того, ты понимаешь, что необходимо ограничивать амплитуду усиливаемых переменных напряжений.
Н. — В электронных лампах следует избегать, чтобы сетка стала положительной. Здесь же, как я думаю, не следует допускать обратного явления, чтобы пики отрицательных полупериодов не сделали эмиттер положительным по отношению к базе, т. е. не заперли эмиттерный переход.
Л. — Правильно. А кроме того, не следует также допускать, чтобы положительный пик на базе вызвал столь большое увеличение тока коллектора, который ограничится падением всего напряжения батареи Ек-э[7] на нагрузочном резисторе.
Н. — А нельзя ли для устранения этих опасностей повысить напряжения обеих батарей?
Л. — В некоторых случаях это может привести к неприятностям, так как для каждого типа транзистора существуют максимально допустимые значения постоянных напряжений, которые нельзя превышать. Однако тут же я хочу сказать тебе, что оба источника напряжения с выгодой для дела можно соединить последовательно, потому что нужно подать на коллектор напряжение еще более положительное, чем напряжение базы по отношению к напряжению эмиттера (рис. 27).
Рис. 27. Два источника напряжения (для цепи базы и для цепи коллектора) могут быть заменены одним источником с отводом (вместо отвода от батареи можно применить делитель напряжения из двух резисторов). На нашем рисунке показано также место включения нагрузочного резистора Rн, на котором выделяется усиленное выходное напряжение.
Н. — Я уже вижу, как батарея Еэ-б подсаживает батарею Ек-э.
Л. — В действительности обходятся совсем без первой батареи, а смещение на базе получают автоматически с помощью резисторов, присоединенных к источнику Ек-э, и резистора, введенного в цепь эмиттера.
Н. — Это как делают в ламповых схемах, где через резистор сеточного смещения проходит анодный ток?
Л. — Почти. Но подробнее этот вопрос мы рассмотрим дальше. А пока в качестве упражнения я прошу тебя продумать к нашей следующей встрече, каким образом ведет себя другой (и надо сказать, значительно более распространенный) тип транзистора, а именно транзистор структуры р-n-р.
Н. — Сколько бессонных ночей ждет меня!
Беседа четвертая
ФИЗИКА ТРАНЗИСТОРОВ
Во время трех первых бесед Любознайкин и Незнайкин рассмотрели физические основы транзисторов. Для этого они изучили внутреннюю структуру отдельно взятого атома, а затем поведение атома в кристаллической решетке. Наши друзья увидели, какие нарушения в коллективе атомов вызывает введение примесей. И, наконец, комбинируя области полупроводникового материала с противоположными типами проводимости, наши друзья получали диоды и транзисторы. Для лучшего усвоения всего этого полезно подробнее рассмотреть некоторые детали уже затронутых раньше вопросов. Это и явится предметом данной беседы.
Содержание: Движение зарядов. Основные носители. Принцип работы транзистора структуры р-n-р. Интерметаллические соединения. Обозначение выводов: Условные обозначения транзистора. Краткое изложение основных понятий.
Четыре типа заряженных частиц
Незнайкин. — Твой полупроводники, Любознайкин, заставили меня провести не одну бессонную ночь. Это увлекательно…, но дьявольски сложно!
Любознайкин. — Должен ли я прописать тебе снотворное, или ты предпочитаешь, чтобы я осветил те вопросы, которые кажутся тебе непонятными?
