Л. — Теперь, когда я удовлетворил твое любопытство, не можешь ли ты в свою очередь ответить мне на вопрос, который я задал в конце нашей прошлой беседы: как работает транзистор структуры р-n-р (рис. 28)?
Рис. 28.Распределение носителей зарядов (электронов и дырок) и ионизированных атомов в транзисторе структуры р-n-р до включения напряжений питания. На рисунке видны потенциальные барьеры, образованные ионами с разноименными зарядами.
Н. — Я думал об этом, и мне кажется, что я могу тебе ответить. В таком транзисторе в отличие от транзистора структуры n-р-n коллектор нужно сделать отрицательным по отношению к эмиттеру. Я должен тебе признаться, что это мне очень неприятно.
Л. — Почему же?
Н. — Потому что я всегда сравниваю транзистор с электронной лампой, и идея сделать анод отрицательным по отношению к катоду (ведь именно их роль выполняют соответственно коллектор и эмиттер) меня несколько разочаровывает. Тот факт, что база должна быть отрицательной по отношению к эмиттеру, радует мое сердце, так как я думаю, разумеется, о сетке.
Л. — Незнайкин, остерегайся таких сопоставлений, я уже говорил тебе об этом.
Н. — Как бы там ни было, но при таком распределении напряжений переход эмиттер — база питается в проводящем направлении. Это значит, что отталкиваемые положительным полюсом источника питания дырки эмиттера неудержимо устремляются через р-n переход в базу. Благодаря малой толщине базы большинство дырок успевает проскочить через нее и проникает в коллектор, не прореагировав на слабое напряжение отрицательного полюса батареи Еб-э.
Л. — Это совершенно верно. Однако что происходит с теми немногочисленными дырками, которые, как ты говоришь, прореагируют на притяжение отрицательного полюса батареи Еб-э (рис. 29)?
Рис. 29.Движение носителей зарядов в работающем р-n-р транзисторе. Для общей ясности ионы на этом рисунке не показаны.
Н. — Они нейтрализуются в результате рекомбинации с поступившими от этого полюса электронами. Таким образом, они создают небольшой ток Iб, протекающий от базы к эмиттеру (в электронном смысле, конечно).
Л. — А какова судьба большинства дырок, которые достигли коллектора?
Н. — Там происходит то же самое явление: дырки нейтрализуются электронами, поступающими из отрицательного полюса батареи Ек-э . И каждый раз, когда электрон проникает из батареи в коллектор, чтобы нейтрализовать дырку, другой электрон покидает один из атомов эмиттера и поглощается положительным полюсом этой батареи; само собой разумеется, что, покидая свой атом, данный электрон порождает в эмиттере новую дырку. Ток поддерживается движением дырок от эмиттера к коллектору и электронов в обратном направлении. Разве не так?
Л. — Я восхищен, как здорово разобрался ты в работе транзистора. Действительно, все происходит гак, как если бы армия штурмовала крепость. Атакующие достигают вершины стены и в неудержимом порыве врываются в город через ряды пытающихся их сдержать защитников.
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.