рn-перехода (Воспоминание № 5).
В общих чертах можно сразу сказать, что выходное сопротивление Rвых в нашей схеме будет весьма большим, так как коллекторный переход — это, по сути дела, диод, включенный в обратном направлении. Подсчитать величину Rвых можно, пользуясь одной из выходных характеристик транзистора. На рис. 58 для этого используется выходная характеристика (зависимость Iк от Uбк, снятая при Uэб = 200 мв.
Давайте для начала, не обращая внимания на то, что происходит в самом транзисторе, поступим с ним так же, как поступали в свое время при определении входного сопротивления (рис. 56). Давайте заменим весь полупроводниковый триод одним резистором Rвых и будем считать, что именно к нему подключается нагрузка.
Выходное сопротивление для постоянного тока Rвых= определяется просто: постоянное напряжение на коллекторе Uбк нужно разделить на постоянный коллекторный ток Iк. Выходное сопротивление Rвых= очень сильно зависит от режима входной цепи, от управляющего напряжения Uэб. Когда транзистор заперт, когда нет тока в его коллекторной цепи, то Rвых=, естественно, бесконечно велико.
«Плюс» на базе ничего не меняет, так как триод продолжает оставаться закрытым. Зато с появлением на базе «минуса» появляется коллекторный ток Iк и сопротивление Rвых= резко уменьшается. Чем больше «минус» на базе, тем больше Iк, тем, следовательно, меньше Rвых=. Выходное сопротивление для постоянного тока может быть очень небольшим, вплоть до нескольких омов и даже долей ома. Совсем другие величины характеризуют выходное сопротивление для переменного тока.
Динамическое сопротивление Rвых будем определять так же, как определяли и динамическое входное сопротивление: изменим коллекторное напряжение на величину ΔUбк, посмотрим, на какую величину ΔIк при этом изменится коллекторный ток, а затем найдем Rвых по формуле закона Ома: Rвых = ΔUбк:ΔIк. У транзистора, характеристика которого приведена на рис. 57 и 58, выходное сопротивление оказалось равным 100 ком. В действительности же для нашей схемы величина Rвых может оказаться значительно больше, иногда достигая даже нескольких мегом.
То, что Rвых должно быть очень большим, видно по самой выходной характеристике: почти на всем протяжении она представляет собой слегка наклоненную прямую линию. Небольшой наклон характеристики говорит о том, что при изменении Uбк ток Iк меняется очень мало, а это как раз и свидетельствует о большом сопротивлении цепи.
Каждая выходная характеристика из нашего семейства, в частности характеристика, снятая при входном напряжении Uэб = 200 мв, по сути дела, представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода (рис. 19). И это вполне понятно: ведь коллекторный переход — это не что иное, как полупроводниковый диод, включенный в обратном направлении. Не стоит придавать значения тому, что выходная характеристика транзистора в сравнении с характеристикой диода оказывается перевернутой «вверх ногами». Характеристика перевернута только потому, что «ее так повесили», только потому, что нам так удобней на нее смотреть. Только поэтому коллекторный ток, который является обратным током «коллекторного диода», растет не вниз от нуля, а вверх, и только поэтому «минус» напряжения на коллекторе мы откладываем не влево от нуля, а вправо.
Выходная характеристика транзистора похожа на вольтамперную характеристику диода «во всех подробностях». При небольших напряжениях на выходной характеристике имеются загибы, а при больших напряжениях ток Iк резко возрастает. Это начинается электрический пробой, вслед за которым, как мы уже знаем, произойдет тепловой пробой, и транзистор выйдет из строя. Таким образом, можно сразу же сделать некоторые рекомендации по поводу рабочего режима транзистора: напряжение на коллекторе никогда не должно заходить в область левого загиба, так как в этой области происходит искажение формы сигнала (подобно тому, как искажается сигнал на загибах входной характеристики; рис. 55). С другой стороны, напряжение на коллекторе не должно заходить в область правого загиба, то есть не должно заходить в область пробоя. На деле, выбирая режим транзисторного усилителя, приходится вводить еше более строгие ограничения.
На семействе выходных характеристик транзистора нужно отметить несколько запретных зон (рис. 59). Это говорит о том, что коллекторный ток и коллекторное напряжение не должны быть ни слишком большими, ни слишком малыми, что они могут изменяться не как угодно, а лишь в определенных пределах — в пределах не заштрихованной на рисунке рабочей зоны.
Рис. 59.На выходной характеристике можно отметить запрещенные области, то есть такие значения коллекторного тока и напряжения, которые по каким-либо причинам не должны (или не могут) появляться.
Чем же определяются границы этой рабочей области? Чем определяется тот набор токов и напряжений, при которых режим коллекторной цепи не попадает в опасные запретные зоны?
Левая граница рабочей области нам уже известна — за ней находится запретная зона загибов, загнутых участков характеристик. Попадание в эту запретную зону приводит к искажению формы сигнала. Чтобы не попадать в зону искажений, не нужно допускать, чтобы напряжение на коллекторе становилось меньше чем U*бк.
Правая граница рабочей области — это изогнутая линия с надписью «Не входить — пробой!». Переход этой границы влечет за собой прямо-таки смертельную опасность, так как приводит в запретную зону, где коллекторному рn-переходу транзистора грозит тепловой пробой. Еще знакомясь с диодами, мы установили, что рn-переход может выйти из строя, если превысить некоторую величину подводимой к нему мощности. Эта мощность — мы назвали ее допустимой мощностью, — как всегда, равна произведению тока на напряжение (Воспоминание № 4). У диода ей соответствует вполне определенное значение обратного тока и обратного напряжения.
У транзистора дело обстоит иначе: при одном и том же напряжении на коллекторе ток через рn-переход, то есть коллекторный ток, может иметь разную величину. Все зависит от числа зарядов, впрыскиваемых в этот переход из базы, то есть в итоге все зависит от управляющего напряжения Uэб. Вот почему одному и тому же значению допустимой мощности — у нас она равна 50 мвт — соответствуют разные комбинации коллекторного тока Iк и коллекторного напряжения Uбк. При небольшом коллекторном токе Iк можно допустить сравнительно высокое коллекторное напряжение Uбк, а при увеличении тока Iк напряжение Uбк должно быть поменьше. Вычислив допустимое напряжение на коллекторе для разных управляющих напряжений Uэб (а значит, для разных коллекторных токов), мы как раз и получим изогнутую пограничную линию, переступать которую нельзя «под страхом смерти».
И, наконец, еще одно, третье ограничение: коллекторный ток не должен быть меньше некоторой величины Iко. Здесь, правда, мы выразились не совсем точно — коллекторный ток не то что не должен переступать границу Iко, а он просто не может перейти эту границу. Запретная зона, которая лежит ниже линии Iко, отличается от двух предыдущих запретных зон именно тем, что в нее просто невозможно попасть.
Действительно, допустив ошибку в выборе режима, вы можете уйти из рабочей области влево и сделать сигнал жертвой загиба. Вы можете нечаянно (например, повысив напряжение Uбк) уйти из рабочей области вправо и увидеть, как мощность, выделяемая на коллекторном переходе, в какие-то моменты становится больше допустимой (это, правда, будут не моменты, а всего один момент — транзистору достаточно один раз ненадолго перейти границу допустимой мощности, чтобы он уже навсегда перестал быть транзистором). А вот перейти нижнюю границу рабочей области даже при желании невозможно — коллекторный ток никаким разумным способом нельзя сделать меньше, чем Iко. Именно поэтому ток Iко называют неуправляемым коллекторным током.
Как ни мал этот ток (он обычно в тысячи раз меньше средней величины Iк), а его влияние на работу транзистора огромно. Именно поэтому мы несколько подробней остановимся на происхождении неуправляемого тока Iко и на той роли, которую он играет в транзисторном усилителе.
Вернемся к тем далеким временам, когда мы только научились создавать полупроводниковые кристаллы с разным типом проводимости, вводя в них донорные или акцепторные примеси (рис. 15). При введении донорной примеси в кристалле появлялись свободные электроны, и он становился полупроводником типа n, а при введении акцепторной примеси в кристалле появлялись свободные дырки, и он становился полупроводником типа р. Но еще до введения примеси в полупроводнике были свои собственные свободные заряды, причем в равном количестве и электроны и дырки. Эти собственные заряды, благодаря которым полупроводник обладал небольшой собственной проводимостью, появлялись потому, что в некотором количестве атомов, скажем, в одном атоме из нескольких миллионов, под действием тепловой энергии нарушалась связь одного из внешних электронов с ядром. Электрон уходил в межатомное пространство (отрицательный свободный заряд) и оставлял свой атом с одним свободным для других электроно