Транзисторы

Транзисторы

Вакуумные и газонаполненные выпрямите­ли первыми из электронных приборов почув­ствовали появление мощного конкурента — полупроводников. Уже через два года после изобретения электронной лампы, в 1906 г., по­явились первые кристаллические детекторы — некоторое подобие полупроводниковых диодов. Еще через 12 лет были созданы селе­новые и купроксные (меднозакисные) вен­тили, в которых односторонней проводи­мостью обладает пограничный слой, контакт между металлом и полупроводником (селен, закись меди). Селеновые вентили и сейчас широко применяются в различных областях техники. Правда, каждый из них выпрямляет напряжение не больше 20—50 в, но это не беда. Там, где нужно выпрямить большее напряже­ние, селеновые вентили соединяют последова­тельно, собирают из них многоэлементные стол­бики. В приемниках и телевизорах, например, используются селеновые столбики, запрессо­ванные в пластмассу.

Самые распространенные сейчас вентили — это германиевые и кремниевые диоды. Основа такого диода — кристалл полупроводника, в котором имеются две зоны, две примыкающие друг к другу области — одна с положительными (зона р — от слова «пози­тив», что значит «положительный») и другая с отрицательными (зона n — от слова «нега­тив», что значит «отрицательный») свободными зарядами. Эти зоны создаются путем добавле­ния в кристалл специальных примесей, при­чем в ничтожных количествах — буквально один атом на десять миллиардов. Область, где граничат зона р и зона n, называется pn-переходом.

Зону р можно сравнить с анодом обычного вакуумного диода: если подать на нее «плюс», то в цепи полупроводникового диода пойдет ток, а на границе между зонами будет происходить обмен зарядов. Если же подать «плюс» на зону n (она, так же как и катод, источник свобод­ных электронов), то свободные заряды оття­нутся от pn-перехода и тока в цепи не будет. Так выглядит (конечно, весьма упрощенно) механизм односторонней проводимости полу­проводникового диода.

Первые удачные опыты с кристаллическими усилителями были проведены в начале 30-х годов советским инженером О. Лосевым. С 1948 г. широкое применение начали приобретать полу­проводниковые триоды — транзисторы. Транзис­тор в какой-то степени напоминает вакуумный триод. В нем также имеются три главные детали — три зоны полупроводника с различ­ной проводимостью. В зависимости от комби­нации этих зон различают транзисторы типа p—n—p (их подавляющее большинство) и n—p—n. Средняя зона называется базой или основанием. Ее обычно сравнивают с управляющей сеткой лампы. К базе при­мыкают две другие зоны транзистора. Одна из них — эмиттер — в какой-то степе­ни напоминает катод, другая — коллек­тор — выполняет те же функции, что и анод лампы.

Как же работает транзистор?

Рассмотрим для примера транзистор типа p—n—p. Это фактически два диода с общей зоной n (база). Один из диодов, участок эмиттер — база,— это вход триода. Сюда подается сигнал, который нужно усилить. Под действием вход­ного сигнала свободные положительные заряды попадают из эмиттера в базу, проходят сквозь нее (это называется диффузией зарядов) и ста­новятся достоянием второго диода — участ­ка база — коллектор. На коллектор подается «минус», который с силой «тянет» к себе поло­жительные заряды и создает коллекторный ток. Это копия анодного тока. Но поскольку вы­ходной (коллекторный) ток получает энергию от коллекторной батареи, она разгоняет сво­бодные заряды, дает им возможность преодо­левать большие сопротивления, выделять боль­шую мощность — эта копия получается мощ­ной, усиленной. Таким образом, в транзисторе

происходит усиление сигнала, и выходной ток может преодолевать значительно большие со­противления, выполнять значительно большую работу, чем входной. Об этом говорит и само слово «транзистор»: оно составлено из двух слов — «трансформатор» (преобразователь) и «резистенс» (сопротивление).

Подобным же образом работает триод типа n—p—n, только здесь эмиттер выбрасывает не положительные заряды, а свободные электро­ны и на коллектор (совсем уже как в лампе!) подается «плюс». Транзисторы работают при очень небольших напряжениях на коллек­торе — от долей вольта до нескольких вольт (в лампе на аноде десятки вольт). Накальная батарея им совсем не нужна. В переносной аппаратуре, например в портативных приемни­ках, это дает огромный выигрыш габаритов и веса, и поэтому здесь транзисторы почти полностью вытеснили электронные лампы.

Первые плоскостные транзисторы могли уси­ливать лишь сравнительно медленные сигналы, так как полупроводниковые детали не удава­лось делать достаточно тонкими. Заряды слиш­ком долго пробирались сквозь базу, и на вы­соких частотах коллекторный ток сильно от­ставал от входного сигнала. Современная технология позволяет делать эмиттер и базу очень тонкими: эмиттер толщиной до 3 мк, а базу — до 1 мк. Подобные транзисторы могут усиливать переменные токи очень высокой ча­стоты, вплоть до нескольких тысяч мегагерц, и практически уже догнали электронные лампы. Хуже обстоит дело с мощностью: пока на вы­ходе транзистора не удается получить больше нескольких десятков ватт. Лишь некоторые ключевые триоды — своего рода полупроводниковые тиратроны — дают на выходе до 10 квт. В самое последнее время созданы очень мощ­ные кремниевые диоды, способные выпрям­лять ток вплоть до нескольких тысяч ампер. Кто знает, может быть, через них лежит путь к транзистору, который будет конкурировать с самыми мощными электронными лампами.

Электронных приборов сейчас так много, что простое перечисление их главных типов, главных разновидностей заняло бы несколько страниц. И нужно сказать, что количество этих приборов все время растет, появляются все новые и новые образцы. Так, например, совсем недавно был создан туннельный диод, который не только выпрямляет, но и усиливает , переменный ток; причем работает он на очень высоких частотах. Создаются хемотроны, где управление потоком зарядов осуществляется в жидкости. Специально для вычислительной техники сконструированы запоминающие элек­тронные приборы, по своему устройству похо­жие на электроннолучевые трубки.