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.
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?
Н. — Я предпочел бы получить ответы на мучающие меня вопросы. Видишь ли, характер некоторых явлений мне трудно понять из-за наличия в полупроводниках четырех типов заряженных частиц:
1) ионизированных атомов доноров, которые, потеряв пятый электрон со своей внешней оболочки, стали положительными;
2) освобожденных таким образом электронов, имеющих отрицательный заряд;
3) ионизированных атомов акцепторов, которые, захватив электрон у соседнего атома, чтобы довести количество электронов на внешней оболочке до четырех, стали отрицательными;
4) и, наконец, дырок, появившихся в результате таких захватов и представляющих собой недостаток электрона, а потому имеющих положительный заряд.
Л. — Ты хорошо изложил положение, существующее в полупроводнике. Что же тебя беспокоит?
Н. — Вопрос движения зарядов. Ты сказал мне, что в полупроводнике электрический ток создается одновременно потоком электронов, идущих от отрицательного полюса к положительному, и перемещением дырок, двигающихся в обратном направлении от положительного полюса к отрицательному. Этим полупроводники отличаются от металлов, в которых электропроводность создается только движением электронов.
Л. — Совершенно верно. К этому следует еще добавить, что и движение дырок в конечном счете обусловливается перемещением электронов.
Н. — Но я не понимаю, почему ионизированные атомы, как доноры, так и акцепторы, сами не участвуют в движении электрических зарядов.
Л. — Я вижу, что тебя мучает, и ты бесспорно прав, задав этот вопрос. Однако это довольно просто: ионы не могут перемещаться, потому что они входят в состав кристаллической решетки и прочно привязаны к своим местам. До тех пор, пока тело остается твердым, его атомы остаются пленниками невидимых связей, которые удерживают их на месте. В жидкостях, в отличие от твердых тел, ионизированные атомы свободно перемещаются и при приложении внешнего напряжения создают ионную проводимость, называемую явлением электролиза, о котором тебе, бесспорно, говорили в школе на уроках физики.
Н. — Прекрасно! Отныне в своих рассуждениях я буду вправе не принимать в расчет ионизированные атомы и заниматься только электронами и дырками.
Л. — Это вполне законно, и я добавлю, что к счастью ионы в полупроводниках не перемещаются. В противном случае проводимость различных областей транзистора с течением времени могла бы изменяться, что сократило бы продолжительность его службы. Что касается электронов, то они непрерывно обновляются, потому что источник напряжения инъецирует их с одной стороны и отбирает с другой, что порождает новые дырки. Это означает, что мы не обнаружили никаких причин, ограничивающих срок службы транзисторов.
Н. — Чудесно, но поговорим еще об электронах и дырках. Я хотел бы знать, как они сосуществуют, не нейтрализуя друг-друга. Ведь разноименные заряды взаимно притягиваются.
Л. — Подумай, Незнайкин, о колоссальных расстояниях (разумеется, в атомных масштабах), которые разделяют большинство этих частиц. Электрону удается пробежать путь, во много сотен раз превышающий расстояние между атомами. В человеческих масштабах в среднем это всего лишь десять тысячных миллиметра, но для электрона это космические расстояния. Ты понимаешь, что в этих условиях у него нег шансов встретить дырку, и в действительности электроны и дырки всегда сосуществуют.
8
Строго говоря, частотный предел работы транзистора определяется не временем пробега носителей через базу (это привело бы лишь к задержке усиливаемого сигнала), а различием времени пробега для отдельных носителей, в результате чего происходит «размывание» усиливаемого сигнала. Однако разброс времени пробега прямо пропорционален идущему в расчет среднему значению времени пробега, так что в конечном счете это время ограничивает частотный предел транзистора. —