Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

Семьдесят дней болтало упрямые парусники по океану. Семьдесят длинных, бесконечно длинных дней. Семьдесят страшных черных ночей. Семьдесят шагов в неизвестность…

Уже бродит среди бывалых матросов безумный огонек бунта: «Куда мы плывем?.. Зачем?.. Надо возвращаться назад, пока не поздно…» Уже сам капитан, хотя внешне, как всегда, спокоен и решителен, все чаще устремляет свой взгляд в бесконечность: «Куда мы плывем? Где же Индия?.. Где же земля?»… Сомнения, сомнения, тревога.

Но вот ночью 12 октября матрос Педро Триана с верхушки мачты увидел в свете луны полоску берега. «Земля! — закричал матрос хриплым от нервного напряжения голосом. — Земля!!!» Парусники капитана Христофора Колумба, оставив позади пять тысяч долгих километров Атлантики, достигли Багамских островов, достигли восточного побережья будущей Америки.

Сейчас настала и наша с вами очередь радостно крикнуть: «Земля!» После долгого и трудного путешествия, после того, как перед нашим взором прошли фантастические проекты создания мощной копии слабого сигнала и загадочные «черные ящики», в которых неведомый скульптор должен делать свое непонятное дело, после того, как мы прошли сквозь изумительные архитектурные шедевры — алмазоподобные кристаллические решетки германия и кремния и сумели увидеть, как дефекты этих решеток — свободные электроны и дырки создают проводимость полупроводникового кристалла, после того, наконец, как с помощью примесей мы научились резко увеличивать проводимость полупроводников, создавать из них рn -переходы, научились строить и понимать характеристики полупроводниковых диодов, — после всего этого мы все же достигли своей цели. Мы наконец приплыли к транзистору, и перед нами открылась огромная, неведомая пока страна. Настал момент причалить и высадиться на берег. И сейчас мы это сделаем.

Для того чтобы получить полупроводниковый триод — транзистор, — нужно объединить два плоскостных полупроводниковых диода, одну из зон сделать у них общей. Нужно, пример, взять за основу полупроводник n -типа и с двух противоположных сторон с помощью акцепторных примесей создать в нем проводимость р -типа. В этом случае мы и получим два диода, а точнее, один сдвоенный диод — в центре останется зона n , а слева и справа от нее появятся зоны р . Таким образом в одном кристалле будет создано два самостоятельных pn -перехода (рис. 30).

Рис. 30. Полупроводниковый триод, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода с одной общей зоной.

Полученный нами прибор — не что иное, как транзистор. По типу имеющихся в нем зон — это транзистор со структурой р-n-р , или, короче, транзистор р-n-р . Точно так же, создав в центре кристалла зону р , общую для обоих диодов, а по краям две зоны n , мы получим транзистор n-р-n . Принципиальной разницы между этими транзисторами нет, работают они одинаково хорошо, однако в силу некоторых технологических соображений наиболее широко выпускаются транзисторы со структурой р-n-р .

Транзистор, который мы сделали из двух плоскостных диодов, тоже называется плоскостным. Первые образцы транзисторов были точечными — их получали, «приткнув» к проводниковому кристаллу две тонкие проволочки. Но вот уже много лет точечные транзисторы не выпускаются, так как они оказались хуже плоскостных. Существуют разные способы производства плоскостных транзисторов (стр. 247), и все они в той или иной степени похожи на наш учебный способ производства — объединение двух полупроводниковых диодов в одном приборе.

Для того чтобы облегчить дальнейший рассказ, давайте сразу же введем названия получившихся у нас трех зон транзистора. Средняя зона получит название «база», одна крайняя зона — «эмиттер», вторая — «коллектор». В дальнейшем станет ясно, почему «детали» транзистора называются именно так, а не иначе. А пока ограничимся лишь переводом этих слов на русский язык.

Слово «эмиттер» означает «выбрасывающий, испускающий». Все эти определения в данном случае относятся к электрическим зарядам. Эмиттер как бы выбрасывает, впрыскивает заряды в остальные слои транзистора, выпускает эти заряды в путешествие по электрическим цепям усилителя.

Коллектор — наоборот — собирает заряды на выходе из транзистора, и именно этим объясняется само его название. Слово «коллектор» означает «собирающий» и происходит от того же корня, что и «коллекционер» — «собиратель».

Название «база» — «основа» — имеет историческое происхождение, но применительно к нашей упрощенной модели транзистора оно вполне оправдано. Ведь, сооружая свой условный транзистор, мы взяли за основу именно базу — средний полупроводниковый кристалл, а затем уже создали рn -переходы, введя с двух сторон в кристалл необходимые примеси.

Тот рn -переход, который возник между базой и эмиттером, мы для краткости будем называть эмиттерным переходом, а рn -переход между базой и коллектором будем называть коллекторным переходом.

Кстати, о конструкции транзистора. Пока будем считать, что все три его составные части — эмиттер, база и коллектор — устроены одинаково и чем-то напоминают три склеенные спичечные коробки.

Итак, мы построили транзистор. Что дальше? А дальше нужно заставить его усиливать слабые электрические сигналы. Нужно заставить транзистор выполнять роль скульптора — «лепить» из постоянного тока мощную копию слабого сигнала.

Для начала подведем к транзистору необходимые питающие напряжения и посмотрим, что в нем при этом будет происходить. Все свои опыты мы будем проводить с транзистором р-n-р , так как именно эти транзисторы в дальнейшем будут нам встречаться чаще всего. К нашему подопытному транзистору, как и к любому другому, необходимо подвести два питающих постоянных напряжения, и мы пока используем для этой цели две отдельные батареи (рис. 31).

Рис. 31. Эмиттерный pn-переход транзистора всегда включен в прямом направлении, а коллекторный pn-переход — в обратном направлении.

Эмиттерная батарея Б э подключена к эмиттерному переходу «плюсом» к эмиттеру и «минусом» к базе. Это значит, что напряжение Е эб действует на эмиттерный переход в прямом направлении. Само обозначение Е эб в данном случае говорит о том, что речь идет о напряжении («плюс») на эмиттере относительно базы. Или, что то же самое, о напряжении («минус») на базе относительно эмиттера. Под действием «минуса» на базе туда начнут двигаться дырки из эмиттера (поскольку у нас диод р-n-р , то в эмиттере основные носители — это дырки), то есть через диод эмиттер — база пойдет прямой ток (рис. 32).