Шаг за шагом. Транзисторы
Шрифт:
У нас есть два независимых полупроводниковых диода — эмиттерный и коллекторный переходы, и каждый из них включен в цепь своей собственной батареи. Один диод включен в прямом направлении (эмиттерный переход), и через него идет достаточно большой прямой ток. Другой диод включен в обратном направлении (коллекторный переход), и в его цепи тока нет. Что делать дальше? А дальше нам прежде всего нужно проверить, насколько уместно по отношению к этим диодам мы применили слово «независимые».
Действительно, оба диода, образующие транзистор, имеют одну общую зону n. Не окажется ли, что через эту зону один из диодов, один из pn– переходов транзистора,
Дырки, попадающие в базу из эмиттера, казалось бы, должны немедленно без каких-либо отклонений уйти к «минусу» батареи Бэ и через нее вернуться в эмиттер (рис. 32, 33, листок А). Ведь именно «минус» на базе привел в нее из эмиттера эти дырки, и именно к «минусу» дырки должны стремиться в первую очередь.
Рис. 33. В результате диффузии дырки проходят через базу в область коллекторного рn– перехода.
В самом упрощенном виде вся эта сцена могла бы выглядеть так: к базе в огромных количествах подходят свободные электроны с «минуса» батареи Бэ (на то он и «минус»!), а с другой стороны — от эмиттера (на то он и зона р!) к базе подходят дырки. Дырки движутся сквозь базу, устремляются к ее выводу, который соединен с «минусом» батареи — поставщиком свободных электронов.
Здесь, в районе металлического вывода, и происходит нейтрализация дырок, превращение их в нейтральные атомы. При этом освобождается место и для новых, идущих со стороны эмиттера дырок, и для новых, идущих со стороны «минуса» батареи свободных электронов. Движение дырок, то есть прямой ток через эмиттерный рn– переход, идет непрерывно.
У нас получилась хотя и очень упрощенная, но весьма правдоподобная картина. И именно так все происходило бы, если бы не диффузия дырок в базе.
Дырки движутся по базе не только под действием электрических сил, не только под действием «минуса», зовущего их в цепь эмиттерной батареи Бэ. Наряду с таким упорядоченным движением дырки еще и расталкивают друг друга (напоминаем о примечании на стр. 26). Дырки стремятся разойтись из районов своего наибольшего скопления в те районы базы, где этих дырок сравнительно мало. В этом и состоит диффузия (стр. 56). Именно она приводит к тому, что некоторая часть дырок, пропутешествовав через всю базу, подходит к пограничным районам коллекторного pn– перехода (рис. 33, листок Б). И вот здесь-то все и начинается…
Коллекторный переход включен в цепь своей коллекторной батареи Бк в обратном направлении и поэтому ведет себя как большое сопротивление. Но что значит «большое сопротивление»? Это ведь совсем не означает, что между базой и коллектором стоят какие-то невидимые заборы, препятствующие движению зарядов. «Большое сопротивление» просто означает, что нет самих свободных зарядов, которые могли бы двигаться и создавать
И вот теперь представьте себе, что в этот самый пограничный район базы диффузия загоняет пришедшую из эмиттера дырку. Разумеется, «минус» коллекторной батареи сейчас же потянет эту дырку к себе, и она немедленно перескочит в коллектор. Мы не будем пока говорить обо всех последствиях этого «прыжка», скажем лишь об одном. Появившись в пустом коллекторном переходе, дырка уменьшит его сопротивление. И чем больше дырок проникнет в коллекторный переход, тем меньше будет его сопротивление.
Давайте еще раз проследим всю цепочку событий.
Первое: прямой ток через эмиттерный переход поставляет в базу дырки (рис. 32). Второе: в результате диффузии дырки проходят через всю базу и попадают в район коллекторного перехода (рис. 33). Третье: попавшие в коллекторный переход дырки уменьшают его сопротивление, создают коллекторный ток (рис. 34). И отсюда делаем самый главный вывод: изменяя ток в цепи эмиттер — база, мы изменяем сопротивление цепи коллектор — база, изменяем коллекторный ток.
Рис. 34. Для коллекторного рn– перехода, включенного в обратном направлении, пришедшие из базы дырки — это, по сути дела, неосновные заряды, и поэтому они ускоряются коллекторным напряжением, создают коллекторный ток.
Не об этом ли мы мечтали? Не к этому ли стремились все время? Наконец-то мы нашли нужного нам скульптора. Действительно, если в эмиттерную цепь включить источник слабого сигнала, то он заставит изменяться ток в этой цепи. И, значит, вслед за слабым сигналом, повторяя все его «взлеты» и «падения», будет меняться сопротивление коллекторного pn– перехода. А поскольку коллекторный переход включен в цепь мощного источника постоянного тока — батареи Бк, то в итоге под действием входного сигнала будет изменяться выходной ток, произойдет усиление сигнала.
В этом описании, правда, остается еще одна маленькая неясность. Еще нужно доказать, что сигнал на выходе транзистора будет не просто копией входного сигнала, а его мощной копией. Нужно доказать, что произойдет не простое копирование сигнала, а именно его усиление.
Нас, конечно, не устроит доказательство от противного: если бы транзисторы не усиливали, то кто бы стал их делать! Мы попробуем проверить усилительные способности транзистора путем рассуждений и расчетов, а также с помощью простейших экспериментов.
Прежде всего внесем поправку в простейшую модель транзистора, где три зоны полупроводникового триода отображались тремя сложенными вместе спичечными коробками (рис. 30). Выбросим среднюю коробку и вместо нее вставим пластинку тонкого картона. Теперь наша модель больше похожа на настоящий транзистор, так как базу действительно делают очень тонкой — ее толщина составляет несколько микрон или в крайнем случае несколько десятков микрон. База должна быть тонкой для того, чтобы попавшие в нее из эмиттера заряды (в нашем примере дырки), не обращая внимания на призвавший их сюда «минус» батареи Бэ, могли легко добраться к коллекторному переходу под действием сил диффузии.