Транзистор?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Н. — Твоя аналогия, где крепостная стена представляет базу, а город — коллектор, была бы более убедительной, если бы осажденный гарнизон предпринимал контратаку, символизирующую движение электронов навстречу атакующим дыркам, вооруженным неотразимым… положительным зарядом.

Да, кстати, с одинаковой ли скоростью движутся электроны и дырки?

Л. — Нет, Незнайкин. В чистом германии под воздействием электрического поля величиной в один вольт на сантиметр электроны пробегают около сорока метров в секунду, тогда как дырки перемещаются вдвое медленнее. В кремнии при этих же условиях у электронов скорость порядка двенадцати метров в секунду, а скорость дырок составляет всего лишь два с половиной метра в секунду. А в некоторых интерметаллических соединениях скорость электронов достигает более полукилометра в секунду.

Н. — Что это за интерметаллические соединения, которые ты неожиданно суешь мне под нос?

Л. — Это полупроводники, представляющие собой комбинацию трехвалентных и пятивалентных элементов…

Н. — …комбинацию, дающую в среднем валентное число четыре, т. е. такое же, как у германия и кремния. Можешь ли ты назвать мне некоторые такие комбинации?

Л. — Пожалуйста. Из комбинации пятивалентной сурьмы и трехвалентного галлия, например, можно получить транзисторы. Трехвалентный индий в комбинации с пятивалентным фосфором даст полупроводниковый материал, используемый для производства некоторых диодов. Удалось даже использовать соединение кадмия (валентное число — два) с селеном (валентное число — шесть) для изготовления фотоэлементов. Интерметаллические полупроводниковые материалы, являясь предметом активных исследований, открывают интересные перспективы будущего…

Н. — Дорогой друг, давай вернемся к нашим овцам… на трех ногах. Я хотел бы знать, чем различаются эмиттер и коллектор. В транзисторе р-n-р оба они типа р (так же как в транзисторе n-р-n они оба типа n). Не свидетельствует ли это об их взаимозаменяемости?

Л. — Нет, дорогой друг. И ты сам легко поймешь, почему. Если ток, идущий от эмиттера к базе, а затем к коллектору, имеет примерно одну и ту же величину, то этого нельзя сказать о напряжениях. Между базой и эмиттером напряжение невелико, а между коллектором и базой оно значительно выше.

Н. — Я понял. Так как произведение тока на напряжение дает мощность, то мощность, рассеиваемая со стороны коллектора, во много раз больше той, которая рассеивается между эмиттером и базой.

Л. — Ты тысячу раз прав. Вот почему коллектор должен легче отводить выделяющееся там тепло. У него большая, чем у эмиттера, площадь. А в мощных транзисторах коллектор припаян к металлическому корпусу, что облегчает излучение тепла и передачу его на шасси благодаря теплопроводности корпуса.

Н. — Теперь я понимаю, чем различаются электроды транзистора, но как их узнать? Как определить, какой вывод транзистора соединен с эмиттером, а какой соответствует базе или коллектору?

Л. — Опознаются они очень просто. Обычно три проволочных вывода расположены в линию (рис. 30), причем средний из них соединен с базой, один из крайних выводов, ближайший к среднему, — с эмиттером, а другой вывод — с коллектором (этот вывод иногда отмечается цветной точкой).

Рис. 30. Типичное расположение трех выводов транзистора.

Н. — Это одновременно и просто и логично, как и условное изображение транзистора на твоих рисунках в виде разделенного на три зоны — области прямоугольника.

Л. — Увы, Незнайкин, это действительно логичное и соответствующее истинной структуре транзистора условное изображение обычно не используется в схемах.

Н. — Досадно. Каково же «официальное» графическое обозначение транзистора?

Л. — Всемирно принятого условного обозначения нет. В разных странах нередко применяют различные условные обозначения. Большинство же пользуется обозначением в виде круга с черточкой внутри, к которой подходят под углом две линии. Черточка обозначает базу, линия, снабженная стрелкой, — эмиттер, а другая такая же линия, но без стрелки, — коллектор.

А кроме того (запомни это как следует!), если стрелка направлена к базе (рис. 31), то это транзистор структуры р-n-р, а если от базы (рис. 32), то транзистор n-р-n.

Рис. 31. Условное обозначение транзистора структуры р-n-р.

Рис. 32. Условное обозначение транзистора структуры n-р-n.

Н. — Почему же понадобилось принимать значок, так мало соответствующий действительной структуре транзистора, где эмиттер и коллектор расположены по разные стороны от базы?

Л. — Это относится к 1948 г. Появившиеся тогда первые в мире транзисторы были «точечного» типа. Они состояли из кристалла германия типа n, служившего базой, на который опирались два металлических острия, расположенных очень близко одно к другому (рис. 33).

Рис. 33. Устройство точечного транзистора.

Н. — Любознайкин, а не было ли это возвращением к старому кристаллическому детектору?

Л. — Почти. Но вместо одного острия было два. Питание того транзистора осуществлялось так же, как питание современного транзистора структуры р-n-р. Точечный транзистор отличался тем же недостатком, что и его предок — кристаллический детектор — отсутствием стабильности. Кроме того, он не мог работать при сколько-нибудь значительных мощностях. Вот почему теперь точечный транзистор совершенно не используется. В то же время точечный диод до сих пор используется широко, особенно на сверхвысоких частотах, например в радиолокации, потому что там высоко ценится малая емкость такого диода.

Н. — Прежде чем идти дальше, я хотел просить тебя, Любознайкин, кратко резюмировать (лучше в письменной форме) суть того, чему ты меня научил и что потребуется для понимания твоих последующих объяснений. Это позволило бы мне до нашей следующей встречи лучше усвоить пройденное.

Л. — Я охотно составлю для тебя такое резюме и пришлю его по почте. А пока, Незнайкин, доброй ночи!

Вот, мой дорогой друг, сведения, которые должны прочно врезаться в твою память:

* Транзистор состоит из трех зон-областей: эмиттера, базы и коллектора. Они содержат примеси, придающие эмиттеру и коллектору электрические свойства, противоположные свойствам базы.

* Существует два типа транзисторов: р-n-р и n-p-n. Больше распространен первый тип, по крайней мере среди транзисторов из германия. (По технологическим соображениям большая часть кремниевых транзисторов делается со структурой n-р-n.)

* В транзисторе р-n-р базе сообщают отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал, а коллектору — еще более отрицательный, чем базе.

* В транзисторе n-р-n база должна быть положительной по отношению к эмиттеру, а коллектор еще более положительным, чем база.

* Отмечено, что в обоих случаях приложенные напряжения питают переход эмиттер — база в пропускающем направлении.

* Ток базы очень мал (микроамперы); ток коллектора значительно больше (миллиамперы).

* Малое изменение тока базы вызывает сильное изменение тока коллектора. Отношение второго изменения к первому называется коэффициентом передачи тока.

* Вход транзистора (база — эмиттер) имеет относительно небольшое сопротивление. Поэтому подаваемые на вход сигналы должны рассеивать некоторую мощность.

* Выход транзистора (коллектор — эмиттер) отличается высоким сопротивлением.

* Изменение напряжения, приложенного между базой и эмиттером, определяет изменение тока базы, а это изменение в свою очередь вызывает большее изменение тока коллектора. Если в цепь коллектора включен нагрузочный резистор, то на нем можно выделить усиленное напряжение.

* Вот в нескольких словах, мой дорогой Незнайкин. выводы, к которым мы пришли.

Твой друг Любознайкин