Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

После введения примеси судьба собственных свободных Зарядов оказывалась различной. Если, например, в полупроводник вводилась донорная примесь и в нем появлялось большое количество примесных электронов, то собственные электроны как бы присоединялись к ним и практически терялись на их фоне: ведь примесных зарядов всегда во много раз больше, чем собственных. Но в таком полупроводнике n -типа оставались еще собственные дырки — очень небольшое количество дырок в сравнении с огромным количеством свободных электронов. Учитывая эту разницу в количестве, свободные электроны в полупроводнике n -типа мы назвали основными зарядами или основными носителями заряда, а собственные дырки — неосновными зарядами, неосновными носителями. Аналогично в полупроводнике р -типа (его создала акцепторная примесь) основными свободными зарядами являются дырки, а неосновными — свободные электроны.

Казалось бы, что не стоит обращать внимание на неосновные заряды — их очень мало и никакого влияния на работу pn -перехода они оказать не могут. В действительности же все обстоит иначе: неосновных зарядов действительно мало, но они начинают действовать, когда основные заряды «уходят от дел». И поэтому на фоне бездействующих основных зарядов малочисленный отряд неосновных становится чуть ли не главной действующей силой.

Так, в частности, когда мы прикладываем к pn -переходу обратное напряжение и основные заряды оттягиваются от границы между зонами, неосновные, наоборот, устремляются к этой границе — ведь у них другой знак и они все делают наоборот. Именно за счет неосновных зарядов возникает в полупроводниковом диоде обратный ток I обр . Именно из-за неосновных зарядов возникает в коллекторной цепи и неуправляемый ток I ко (рис. 60).

Рис. 60. Собственные (неосновные) свободные заряды базы создают небольшой коллекторный ток, который не управляется, то есть не подчиняются управляющему напряжению на базе.

Сейчас настал момент сделать короткую остановку и обратить внимание на одну очень интересную особенность коллекторной цепи. До сих пор у нас не было случая поговорить об этой особенности, а сейчас как раз наступил удобный момент. Дело вот в чем. В коллекторной цепи транзистора работают только неосновные заряды. Действительно, заряды, которые попадают из эмиттера в базу, для базы оказываются неосновными. В транзисторе р-n-р , например, из эмиттера (зона р ) в базу (зона n ) поступают дырки, а в самой базе основные заряды — это электроны. Именно дырки — неосновные для базы заряды — уходят в коллекторный pn -переход и создают коллекторный ток I к . Коллекторный ток, как мы уже говорили, очень похож на обратный ток диода. Это видно хотя бы по тому, что ток возникает под действием обратного напряжения — к коллектору приложен «минус», запирающий pn -переход для основных зарядов — электронов базы. И поэтому создаваться такой ток может только неосновными зарядами базы, то есть дырками.

Но в базе, как вы сами понимаете, имеется два сорта дырок: собственные (тепловые) дырки и чужие, впрыснутые из эмиттера. Оба сорта дырок — и собственные, и впрыснутые — участвуют в создании коллекторного тока на равных правах, и, казалось бы, между ними нет никакой разницы. Но разница все же есть. Количество впрыснутых дырок мы можем менять по своему вкусу, изменяя напряжение U эб . Можно вообще прекратить впрыскивание дырок в базу, подав на нее «плюс», достаточный для того, чтобы запереть эмиттерный переход. А вот изменить количество собственных дырок базы мы не можем — это не в нашей власти.

Количество собственных дырок базы определяется лишь свойствами кристалла и температурой. А поэтому ток I ко , создаваемый собственными неосновными носителями базы (ее собственными тепловыми дырками), всегда протекает в коллекторной цепи и не подчиняется воздействию управляющего напряжения. Несколько забегая вперед, заметим, что ток I ко может сильно влиять на режим транзистора. А поскольку этот ток, так же как и обратный ток диода, сильно зависит от температуры (рис. 21), то приходится принимать решительные меры для того, чтобы обеспечить температурную стабильность транзисторного усилителя.

Семейство выходных характеристик — это своего рода сценарий, по которому можно было бы снять увлекательный фильм. Ведь за каждой характеристикой, за каждым ее изгибом и поворотом стоят интересные события, которые происходят в самом транзисторе. А поскольку характеристик много, то события эти сложным образом переплетаются, как в самом настоящем детективе.

Представьте себе, как из эмиттера в базу впрыскиваются свободные заряды (в триоде р-n-р , с которым мы все время имеем дело, из эмиттера в базу впрыскиваются дырки) и как эти заряды в результате диффузии проходят сквозь базу и попадают к коллекторному переходу. Здесь напряжение U бк «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток I к . (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.)

При увеличении коллекторного напряжения U бк ток I к немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока I к под действием U бк . Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением U бк расширяется лишенная свободных зарядов область коллекторного перехода, и такое расширение происходит частично за счет территории базы. База становится чуть тоньше, силам диффузии тогда чуть легче проталкивать сквозь нее поступившие из эмиттера свободные заряды, и в итоге немножко возрастает коллекторный ток.

Слово «немножко» мы применили не напрасно — напряжение U бк очень слабо влияет на величину тока I к . Как бы ни старалось коллекторное напряжение, оно не может двинуть по коллекторной цепи больше зарядов, чем их поступило из базы. Поэтому резко увеличить коллекторный ток можно только одним способом: нужно увеличить отрицательное напряжение на базе I эб (мы лишь для краткости говорим «напряжение на базе», фактически речь идет о напряжении между базой и эмиттером) и таким образом впрыскивать из эмиттера в базу большее количество свободных зарядов. При этом мы как бы поднимаемся на ступеньку выше, перескакиваем на более «высокую» выходную характеристику, снятую при более высоком входном напряжении U эб .

В реальном случае, когда на входе транзистора появляется усиливаемый сигнал и напряжение на базе непрерывно меняется, подобное перескакивание с одной выходной характеристики на другую происходит непрерывно. Но одновременно с этим меняется и напряжение на коллекторе: мы уже говорили (рис. 38), что чем больше коллекторный ток I к , тем больше напряжение на нагрузке U н= I к· R н, тем меньше напряжение на самом коллекторе U бк= E к— U н.