ВОСПОМИНАНИЕ № 21. ВНОСИМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ .

С помощью вспомогательной катушки связи L_св можно отобрать из контура часть энергии и передать «для дальнейшего прохождения службы». На первый взгляд кажется, что чем ближе сдвинуты катушки L_к и L_св , чем сильнее они связаны общим магнитным полем, тем больше энергии мы получим от контура, тем больно будет напряжение U_выx . В действительности же усиление связи между L_к и L_св может дать и обратный эффект: после некоторого «рубежа» дальнейшее сближение катушек приводит к уменьшению U_выx . Это связано с тем, что, отбирая у контура энергию, мы как бы вносим в него сопротивление R_вн .

Пока связь не очень сильная, это вносимое сопротивление играет второстепенную роль. Но по мере усиления связи роль эта становится все более значительной. Наконец дело доходит до того, что, сближая катушки, мы больше проигрываем от увеличения R_вн , чем выигрываем от увеличения доли получаемой из контура энергии.

При усилении связи во всех случаях ухудшается добротность контура и притупляется его резонансная кривая. Кроме того, несколько изменяется частота собственных колебаний f₀ (а значит, и резонансная частота), так как отбор энергии приводит к некоторому дополнительному сдвигу фаз между контурным током и напряжением. А это равносильно внесению в контур дополнительной емкости или индуктивности.

Главное, что нужно помнить, углубляясь в Воспоминания, – это то, что их нужно хоть когда‑нибудь закончить. Сейчас, по‑видимому, и для нас настало время закончить путешествие по прекрасному прошлому и двинуться в не менее прекрасное будущее. А это будущее прежде всего предстанет перед нами в виде самого сложного и в то же время, пожалуй, самого важного этапа на пути к транзисторным схемам. Нам предстоит научиться строить и анализировать входные и выходные характеристики транзистора. И тот, кто преодолеет этот участок пути (пусть даже не сразу), может смело считать, что главные трудности (и главные неприятности!) нашего путешествия уже позади.

РИСУНКИ НА ВЕКА

Есть серьезные основания считать, что история человеческой культуры, история науки и искусства берет свое начало еще с того времени, когда люди жили в пещерах и с каменными топорами охотились на мамонтов. Может быть, именно тогда и появились первые ученые и художники – люди, которые пытались составить описание окружающего их мира. Конечно же, этот мир они описывали не словами: в те времена человек не то что азбуки не знал, но и разговаривать толком не умел. В его лексиконе были лишь считанные слова, больше похожие на крики животного, чем на разумную речь. Первые описания окружающего мира человек сделал в виде рисунков на стенах своей пещеры.

С тех пор прошли многие тысячелетия… Навсегда исчезли с лица земли мамонты, навсегда заброшены каменные топоры. Из неудобных и сырых пещер человек переселился в многоэтажные дома с горячим водоснабжением, а вместо звериных шкур стал носить нейлоновые рубашки. Он сочинил Большую энциклопедию, научился писать стихи, снимать любительские фильмы и легко выводить километровые формулы. Но, несмотря на все эти великие достижения, человек не забыл о самом древнем способе описания мира – не забыл о рисунке.

Сколько бы мы ни шутили по этому поводу, столь прочная привязанность к многочисленному семейству рисунка – к чертежам, графикам, карикатурам, картам, планам – связана со сложными и тонкими механизмами нашего мозга. Во многих случаях мозг воспринимает графические описания намного легче и быстрее, чем словесные. Во многих случаях даже очень простой рисунок нельзя заменить пространным описанием, содержащим многие тысячи слов. К числу таких содержательных рисунков наверняка можно отнести и характеристики полупроводникового триода, которые нам сейчас предстоит построить и которые мы сохраним если не на века, то, во всяком случае, на все время знакомства с транзисторными усилителями.

Характеристики транзистора в принципе строятся так же, как и характеристики диода (рис. 19). Но только у диода вам пришлось строить одну характеристику – вольтамперную, на которой отображалось изменение одного тока под действием одного напряжения. Для того чтобы описать поведение транзистора, придется построить несколько характеристик. Они покажут изменение разных протекающих в транзисторе токов под действием разных приложенных к нему напряжений.

Начнем с входной характеристики. Она показывает, как меняется эмиттерный ток I_э при изменении напряжения, приложенного к эмиттерному pn ‑переходу, то есть при изменении напряжения U_эб между эмиттером и базой (рис. 54, А ). Эта характеристика почти ничем не отличается от прямой ветви вольтамперной характеристики диода, так как эмиттерный переход – это, по сути дела, и есть диод, включенный в прямом направлении.

У входной характеристики есть и обратная ветвь, соответствующая положительному (запирающему) напряжению на базе. Но эта ветвь нас не интересует, и мы вообще не будем обращать на нее внимания. Мы не будем учитывать влияния коллекторного напряжения U _бк на эмиттерный ток. Здесь мы, правда, несколько погрешим против истины, так как напряжение U_бк все же влияет на эмиттерный ток. И об этом, в частности, говорит пунктирная линия – характеристика, которая получается при U_бк = 10 в.

Сразу же признаемся, что на входной характеристике, так же как и на характеристиках, с которыми нам еще предстоит познакомиться, есть и ряд других неточностей, ряд других упрощений. На них пришлось пойти лишь только для того, чтобы наиболее важные «черты характера» полупроводникового триода не потонули в океане второстепенных подробностей.

Под действием напряжения U_эб меняется эмиттерный ток I_э , а значит, коллекторный ток I_к и напряжение на нагрузке U_н . Одновременно вслед за изменением U_эб меняется и ток базы I_б , представляющий собой небольшое ответвление эмиттерного тока (рис. 35). Поэтому вслед за входной характеристикой, показывающей зависимость I_э от U_эб , нужно построить и несколько ее двойников – несколько характеристик, показывающих, как меняется I_к, I_б и U_н при изменении первопричины всех событий – напряжения U_эб . Пользуясь этой группой характеристик, можно определить ряд важных параметров транзистора, а также сформулировать полезные рекомендации по подбору его режима.

Характеристики, приведенные на рис. 54, хотя и не относятся к какому‑либо определенному типу транзистора, но по значениям токов и напряжений весьма близки к характеристикам многих транзисторов небольшой мощности. Поэтому и параметры, которые мы определим, в известной степени будут близки к параметрам реальных транзисторов.

Рис. 54. Входная характеристика транзистора показывает, как меняется входной ток (ток эмиттера) при изменении управляющего напряжения (напряжение между базой и эмиттером).

Прежде всего отметим прямолинейный участок на входной характеристике: он начинается от напряжения U*_э = 150 мв. Именно начиная с этого напряжения практически соблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением U_эб и током I_э (увеличим напряжение в два раза, и ток вырастет в те же два раза), и поэтому входная характеристика начиная с U*_эб = 150 мв представляет собой почти прямую линию.

При напряжениях меньших чем 150 мв зависимость эта носит сложный характер, и, уж во всяком случае, она не похожа на прямую пропорциональную зависимость. Участок от 0 до U*_эб = 150 же называется нелинейным участком или, проще, загибом. О причинах появления этого загиба уже шла речь, когда мы знакомились с диодом. Во многих случаях режим транзистора нужно выбирать так, чтобы входное напряжение всегда было больше U*_эб , то есть не попадало бы в район загиба характеристики. Подробно об этом ограничении будет рассказано чуть позже (стр. 184), а сейчас лишь отметим, что работа в области загиба приводит к искажениям формы сигнала (рис. 55).

Рис. 55. Если сигнал попадает в область загиба входной характеристики, то искажается форма этого сигнала.

В качестве следующего шага определим входное сопротивление транзистора, то есть сопротивление, которое встречает со стороны транзистора ток, идущий от источника слабого сигнала.

Поскольку входная цепь транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то можно сразу сказать, что его входное сопротивление R_вх будет небольшим. Определить величину этого сопротивления можно следующим образом: нужно на время вообще забыть о существовании транзистора и предположить, что источник слабого сигнала подключен к некоторому условному резистору R_вх (рис. 56).

Рис. 56. Соотношение между управляющим напряжением и входным током можно характеризовать величиной входного сопротивления. Нужно различать входное сопротивление для постоянного и переменного(меняющегося) тока.

Если известны ток и напряжение в цепи резистора, то его сопротивление нетрудно подсчитать по одной из формул все того же закона Ома, а именно R = U : I . Казалось бы, что для подсчета величины R_вх нужно подставить в эту расчетную формулу любое из возможных значений напряжения U_эб и соответствующий этому напряжению ток I_э . Однако подобным образом можно найти лишь входное сопротивление для постоянного тока R_вх= . Да и то для разных напряжений U_эб это сопротивление будет различным.

Пользуясь характеристикой (рис. 54), примерно определим, что при U_эб = 50 мв эмиттерный ток равен I_э = 0,2 ма, а значит, R_вх= = 50 мв: 0,2 ма = 250 ом. Тем же способом найдем, что при U_эб = 150 мв входное сопротивление R_вх= = 75 ом, а для U_эб = 250 мв найдем R_вх = 25 ом. Разными входные сопротивления получаются все из‑за того же загиба на характеристике, так как в районе загиба ток растет намного медленней, чем на прямолинейном участке.

Научившись определять входное сопротивление для постоянного тока, мы отнюдь не решили поставленной задачи: ведь нам нужно определить сопротивление, с которым встретится источник сигнала, а он, конечно, дает переменный ток. Каким же образом можно найти входное сопротивление R_вх для переменного тока? Для этого нужно посмотреть, как меняется ток I_э при изменении напряжения U_эб . Давайте вытащим на свет уже знакомые нам «дельты» (стр. 87) и будем учитывать не статические, не мертвые токи и напряжения, а их изменения.

Поскольку чаще всего используется прямолинейный участок входной характеристики, то определим величину R_вх именно для этого участка. Зададимся каким‑либо определенным изменением входного напряжения ΔU_эб , найдем соответствующее ему изменение тока ΔI_э , а затем, пустив в ход все тот же закон Ома, получим R_вх = ΔU_эб: ΔI_э . Это R_вх как раз и есть то самое входное сопротивление, которое оказывает входная цепь транзистора изменяющемуся току, и называется оно динамическим входным сопротивлением.

На рис. 56 показан пример определения величины R_вх . Определив ток I_э при напряжениях U_эб , равных 200 мв и 250 мв, подсчитав ΔU_эб = 250 мв – 200 мв = 50 мв и соответствующее ему ΔI_э = 10 ма – 6 ма = 4 ма, находим, что входное сопротивление транзистора в нашей схеме равно 12,5 ом. Это очень небольшая величина, но ничего иного мы, собственно говоря, и не ожидали от открытого диода. Несколько забегая вперед, заметим, что малое входное сопротивление доставит нам немало хлопот и явится одной из причин, ограничивающих применение схемы, которую мы сейчас исследуем.

Следующее, что нам нужно было бы сделать, это определить коэффициенты усиления по току к_I , по напряжению к_u и по мощности к_P .

Коэффициент усиления во всех случаях показывает, во сколько раз та или иная величина – ток, напряжение или мощность – на выходе усилителя больше, чем на входе.

С коэффициентом усиления по току мы уже встречались. В свое время (рис. 35) мы обозначали его греческой буквой α . Разница между коэффициентами α и к_I лишь в том, что первый относится к самому транзистору, а второй – к транзистору, включенному в определенный усилительный каскад с определенной нагрузкой. В нашей схеме нагрузка очень слабо влияет на изменение токов I_э и I_к , а поэтому можно считать, что α и к_I – это одно и то же. Попутно еще раз заметим, что коэффициент а назван коэффициентом усиления незаконно, так как в нашей схеме усиления по току не происходит – коллекторный ток I_к всегда несколько меньше эмиттерного I_э , и поэтому α < 1.

Для того чтобы определить а, можно воспользоваться одновременно двумя приведенными на нашем графике характеристиками (рис. 54–А и Б ), одна из которых показывает зависимость I_э от U_эб , а другая – зависимость I_к от U_эб . У нашего подопытного транзистора при увеличении U_эб на 50 мв эмиттерный ток возрастает на 4 ма, коллекторный – лишь на 3,6 ма, так как одновременно на 400 мка (то есть на 0,4 ма) увеличивается ток базы. Отсюда легко найти, что α = 0,9. Это довольно низкая величина: как правило, у транзисторов α лежит в пределах 0,96–0,99.

Коэффициент усиления по напряжению к_u зависит от того, какое сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь. Поэтому сам коэффициент к_u , в отличие от α , не является параметром транзистора и характеризует усилительный каскад в целом. В нашем примере в коллекторную цепь включен резистор R_н = 1 ком, и при изменении коллекторного тока от 6 до 10 ма, то есть всего на 4 на, напряжение на этом резисторе меняется от 6 до 10 в, то есть всего на 4 в (ΔU_н = ΔI_к ·R_н ). Иными словами, при изменении входного напряжения U_эб на 50 мв (и именно при таком изменении ток I_к меняется примерно на 4 ма) выходное напряжение U_н меняется на 4 в. А это значит, что напряжение усиливается в восемьдесят раз. Такая величина вполне реальна для нашей схемы, хотя эта схема позволяет получить значительно более высокое усиление по напряжению, вплоть до нескольких сотен раз.

Коэффициент усиления по мощности к_P равен произведению коэффициентов усиления по току α и по напряжению к_u .

И это вполне понятно: мощность в равной степени зависит от тока и напряжения, и, увеличив, например, в два раза ток и в два раза напряжение, мы увеличиваем мощность в четыре раза. Поскольку коэффициент усиления по току α очень близок к единице, можно считать, что усиление по мощности примерно такое же, как и усиление по напряжению (к_u ~= к_P ).

Казалось бы, что можно как угодно увеличить усиление по напряжению к_u , а вместе с ним и усиление по мощности к_P увеличивая сопротивление нагрузки R_н . Однако в действительности здесь, конечно, существуют ограничения. (Иначе зачем было бы строить многокаскадные усилители – включай побольше сопротивление нагрузки и получай от одного каскада все необходимое усиление!) Об одном из таких ограничений мы уже говорили: чем больше R_н , тем большая часть питающего напряжения на нем теряется (рис. 38). Другое ограничение можно будет понять, познакомившись с выходной характеристикой транзистора.

Выходная характеристика транзистора (рис. 57) показывает, как меняется коллекторный ток I_к при изменении напряжения U_бк между базой и коллектором. Обычно на одном графике размещают целое семейство выходных характеристик – несколько кривых, каждая из которых снята при «своем» неизменном входном напряжении U_эб .

Вот как снимают такое семейство характеристик. Установив, например, U_эб = 150 мв, поддерживают его неизменным и постепенно, от нуля увеличивая U_бк отмечают на графике, как меняется ток I_к . Затем устанавливают другое входное напряжение U_эб , например 175 мв, и вновь, начав от нуля, меняют U_бк и регистрируют I_к . Точно так же снимают характеристики и при других значениях U_эб .

Рис. 57. Семейство выходных характеристик транзистора показывает, как меняется коллекторный ток при изменении коллекторного напряжения и при различных напряжениях на базе.

Что же можно увидеть, всматриваясь в семейство выходных характеристик транзистора? Прежде всего эти характеристики позволяют судить о том, что происходит в коллекторной цепи при работе усилительного каскада, то есть когда одновременно меняется и входное напряжение, и напряжение на коллекторе. (Напряжение на коллекторе меняется потому, что под действием сигнала в итоге меняется напряжение на нагрузке: чем больше напряжение на нагрузке, тем меньше оно на самом коллекторе.)

Кроме того, выходные характеристики позволяют определить, как влияют на режим транзистора напряжение источника питания, напряжение, действующее во входной цепи U_эб , и само сопротивление нагрузки R_н . Наконец, семейство выходных характеристик позволяет разумно выбрать режим транзисторного усилителя, а также определить один из основных его параметров – выходное сопротивление R_вых . С определения этого параметра мы, пожалуй, и начнем (рис. 58).

Рис. 58. Соотношение между выходным напряжением и выходным током можно характеризовать величиной выходного сопротивления; нужно различать выходное сопротивление для постоянного и переменного (меняющегося) тока.

Когда решается вопрос о выборе нагрузки для транзисторного усилителя, то прежде всего нужно знать, куда эта нагрузка попадет – каково сопротивление цепи, в которую нагрузка будет включена. Именно сопротивление усилителя «со стороны нагрузки», сопротивление, с которым встретится нагрузка, попав в усилительный каскад, и называется выходным сопротивлением R_вых усилителя. В нашей схеме (мы не случайно все время подчеркиваем «в нашей схеме» – в других схемах все может быть по‑другому, и вы в этом скоро убедитесь) нагрузка включается в коллекторную цепь. И выходное сопротивление R_вых – это внутреннее сопротивление самого транзистора от вывода коллектора до вывода базы. Сопротивлением источника питания, который также входит в коллекторную цепь, можно пренебречь – оно очень мало, а при последовательном соединении главную роль играет большое сопротивление, в данном случае – сопротивление коллекторного рn ‑перехода (Воспоминание № 5).

В общих чертах можно сразу сказать, что выходное сопротивление R_вых в нашей схеме будет весьма большим, так как коллекторный переход – это, по сути дела, диод, включенный в обратном направлении. Подсчитать величину R_вых можно, пользуясь одной из выходных характеристик транзистора. На рис. 58 для этого используется выходная характеристика (зависимость I_к от U_бк , снятая при U_эб = 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 R_вых и будем считать, что именно к нему подключается нагрузка.

Выходное сопротивление для постоянного тока R_вых= определяется просто: постоянное напряжение на коллекторе U_бк нужно разделить на постоянный коллекторный ток I_к . Выходное сопротивление R_вых= очень сильно зависит от режима входной цепи, от управляющего напряжения U_эб . Когда транзистор заперт, когда нет тока в его коллекторной цепи, то R_вых= , естественно, бесконечно велико.

«Плюс» на базе ничего не меняет, так как триод продолжает оставаться закрытым. Зато с появлением на базе «минуса» появляется коллекторный ток I_к и сопротивление R_вых= резко уменьшается. Чем больше «минус» на базе, тем больше I_к , тем, следовательно, меньше R_вых= . 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 R_вых будем определять так же, как определяли и динамическое входное сопротивление: изменим коллекторное напряжение на величину ΔU_бк , посмотрим, на какую величину ΔI_к при этом изменится коллекторный ток, а затем найдем R_вых по формуле закона Ома: R_вых = ΔU_бк:ΔI_к . У транзистора, характеристика которого приведена на рис. 57 и 58, выходное сопротивление оказалось равным 100 ком. В действительности же для нашей схемы величина R_вых может оказаться значительно больше, иногда достигая даже нескольких мегом.

То, что R_вых 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 U_бк ток I_к 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 U_эб = 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 I_к 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 U_эб . Вот почему одному и тому же значению допустимой мощности – у нас она равна 50 мвт – соответствуют разные комбинации коллекторного тока I_к и коллекторного напряжения U_бк . При небольшом коллекторном токе I_к можно допустить сравнительно высокое коллекторное напряжение U_бк , а при увеличении тока I_к напряжение U_бк должно быть поменьше. Вычислив допустимое напряжение на коллекторе для разных управляющих напряжений U_эб (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 I_ко . Здесь, правда, мы выразились не совсем точно – коллекторный ток не то что не должен переступать границу I_ко , а он просто не может перейти эту границу. Запретная зона, которая лежит ниже линии I_ко , 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 U_бк ) 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 I_ко . Именно поэтому ток I_ко называют неуправляемым коллекторным током.

Как ни мал этот ток (он обычно в тысячи раз меньше средней величины I_к ), а его влияние на работу транзистора огромно. Именно поэтому мы несколько подробней остановимся на происхождении неуправляемого тока I_ко 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 электронов местом, то есть с дыркой (положительный свободный заряд).

После введения примеси судьба собственных свободных Зарядов оказывалась различной. Если, например, в полупроводник вводилась донорная примесь и в нем появлялось большое количество примесных электронов, то собственные электроны как бы присоединялись к ним и практически терялись на их фоне: ведь примесных зарядов всегда во много раз больше, чем собственных. Но в таком полупроводнике n ‑типа оставались еще собственные дырки – очень небольшое количество дырок в сравнении с огромным количеством свободных электронов. Учитывая эту разницу в количестве, свободные электроны в полупроводнике n ‑типа мы назвали основными зарядами или основными носителями заряда, а собственные дырки – неосновными зарядами, неосновными носителями. Аналогично в полупроводнике р ‑типа (его создала акцепторная примесь) основными свободными зарядами являются дырки, а неосновными – свободные электроны.

Казалось бы, что не стоит обращать внимание на неосновные заряды – их очень мало и никакого влияния на работу pn ‑перехода они оказать не могут. В действительности же все обстоит иначе: неосновных зарядов действительно мало, но они начинают действовать, когда основные заряды «уходят от дел». И поэтому на фоне бездействующих основных зарядов малочисленный отряд неосновных становится чуть ли не главной действующей силой.

Так, в частности, когда мы прикладываем к pn ‑переходу обратное напряжение и основные заряды оттягиваются от границы между зонами, неосновные, наоборот, устремляются к этой границе – ведь у них другой знак и они все делают наоборот. Именно за счет неосновных зарядов возникает в полупроводниковом диоде обратный ток I_обр . Именно из‑за неосновных зарядов возникает в коллекторной цепи и неуправляемый ток I_ко (рис. 60).

Рис. 60. Собственные (неосновные) свободные заряды базы создают небольшой коллекторный ток, который не управляется, то есть не подчиняются управляющему напряжению на базе.

Сейчас настал момент сделать короткую остановку и обратить внимание на одну очень интересную особенность коллекторной цепи. До сих пор у нас не было случая поговорить об этой особенности, а сейчас как раз наступил удобный момент. Дело вот в чем. В коллекторной цепи транзистора работают только неосновные заряды. Действительно, заряды, которые попадают из эмиттера в базу, для базы оказываются неосновными. В транзисторе р‑n‑р , например, из эмиттера (зона р ) в базу (зона n ) поступают дырки, а в самой базе основные заряды – это электроны. Именно дырки – неосновные для базы заряды – уходят в коллекторный pn ‑переход и создают коллекторный ток I_к . Коллекторный ток, как мы уже говорили, очень похож на обратный ток диода. Это видно хотя бы по тому, что ток возникает под действием обратного напряжения – к коллектору приложен «минус», запирающий pn ‑переход для основных зарядов – электронов базы. И поэтому создаваться такой ток может только неосновными зарядами базы, то есть дырками.

Но в базе, как вы сами понимаете, имеется два сорта дырок: собственные (тепловые) дырки и чужие, впрыснутые из эмиттера. Оба сорта дырок – и собственные, и впрыснутые – участвуют в создании коллекторного тока на равных правах, и, казалось бы, между ними нет никакой разницы. Но разница все же есть. Количество впрыснутых дырок мы можем менять по своему вкусу, изменяя напряжение U_эб . Можно вообще прекратить впрыскивание дырок в базу, подав на нее «плюс», достаточный для того, чтобы запереть эмиттерный переход. А вот изменить количество собственных дырок базы мы не можем – это не в нашей власти.

Количество собственных дырок базы определяется лишь свойствами кристалла и температурой. А поэтому ток I_ко , создаваемый собственными неосновными носителями базы (ее собственными тепловыми дырками), всегда протекает в коллекторной цепи и не подчиняется воздействию управляющего напряжения. Несколько забегая вперед, заметим, что ток I_ко может сильно влиять на режим транзистора. А поскольку этот ток, так же как и обратный ток диода, сильно зависит от температуры (рис. 21), то приходится принимать решительные меры для того, чтобы обеспечить температурную стабильность транзисторного усилителя.

Семейство выходных характеристик – это своего рода сценарий, по которому можно было бы снять увлекательный фильм. Ведь за каждой характеристикой, за каждым ее изгибом и поворотом стоят интересные события, которые происходят в самом транзисторе. А поскольку характеристик много, то события эти сложным образом переплетаются, как в самом настоящем детективе.

Представьте себе, как из эмиттера в базу впрыскиваются свободные заряды (в триоде р‑n‑р , с которым мы все время имеем дело, из эмиттера в базу впрыскиваются дырки) и как эти заряды в результате диффузии проходят сквозь базу и попадают к коллекторному переходу. Здесь напряжение U_бк «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток I_к . (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.)

При увеличении коллекторного напряжения U_бк ток I_к немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока I_к под действием U_бк . Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением U_бк расширяется лишенная свободных зарядов область коллекторного перехода, и такое расширение происходит частично за счет территории базы. База становится чуть тоньше, силам диффузии тогда чуть легче проталкивать сквозь нее поступившие из эмиттера свободные заряды, и в итоге немножко возрастает коллекторный ток.

Слово «немножко» мы применили не напрасно – напряжение U_бк очень слабо влияет на величину тока I_к . Как бы ни старалось коллекторное напряжение, оно не может двинуть по коллекторной цепи больше зарядов, чем их поступило из базы. Поэтому резко увеличить коллекторный ток можно только одним способом: нужно увеличить отрицательное напряжение на базе I_эб (мы лишь для краткости говорим «напряжение на базе», фактически речь идет о напряжении между базой и эмиттером) и таким образом впрыскивать из эмиттера в базу большее количество свободных зарядов. При этом мы как бы поднимаемся на ступеньку выше, перескакиваем на более «высокую» выходную характеристику, снятую при более высоком входном напряжении U_эб .

В реальном случае, когда на входе транзистора появляется усиливаемый сигнал и напряжение на базе непрерывно меняется, подобное перескакивание с одной выходной характеристики на другую происходит непрерывно. Но одновременно с этим меняется и напряжение на коллекторе: мы уже говорили (рис. 38), что чем больше коллекторный ток I_к , тем больше напряжение на нагрузке U_н = I_к ·R_н , тем меньше напряжение на самом коллекторе U_бк = E_к – U_н .

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося U_эб , и с учетом меняющегося U_бк ? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61).

Рис. 61. Нагрузочная прямая показывает, как меняется коллекторный ток под действием входного сигнала и с учетом того, что напряжение на нагрузке (а значив и на коллекторе) тоже меняется при изменении тока.

Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: R_н = 1 ком и E _к = 12 в. Чтобы построить линию нагрузки, введем в наш сценарий две фантастические ситуации: рассмотрим, что происходит в коллекторной цепи, когда коллекторный ток равен нулю (первая фантастическая ситуация) и когда коллекторный ток настолько велик, что все напряжение батареи теряется на нагрузке и на самом коллекторе вообще нет никакого напряжения (вторая фантастическая ситуация). Подобных ситуаций в реальном случае не бывает, и поэтому мы будем о них говорить, применяя так называемую сослагательную форму «если бы да кабы».

Если бы коллекторный ток был равен нулю, то на нагрузке вообще не было бы никакого напряжения (U_н = 0) и все напряжение источника E_к было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А ; она как раз соответствует U_бк = E_к , так как напряжение батареи E_к мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение U_бк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Е_к было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток I_к ) был бы по закону Ома равен I_к = Е_к ·R_н . На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике – поставим на ней точку Б . Она как раз и соответствует напряжению U_бк = 0 и току I_к = 12 ма, который под действием напряжения Е_к = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки R_н = 1 ком.

Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б ) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А ). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни I_к , ни U_бк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.

Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке R_н и выбранном напряжении питания Е_к связаны между собой входное напряжение U_эб , напряжение на коллекторе U_бк и коллекторный ток I_к . Так, например, точка М говорит о том, что при U_эб = 250 мв режим коллекторной цепи будет U_бк = 2 в и I_к = 10 ма; при U_эб = 150 мв режим уже совсем иной: U_бк = 10 в, I_к = 2 ма (точка N ). Разумеется, эти данные относятся лишь к R_н = 1 ком и Е_к = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки R_н , то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ ), а если уменьшить R_н – более круто (АГ ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Е_к и уменьшается напряжение на коллекторе U_бк . Так при одном и том же входном напряжении U_эб = 150 мв получаем U_бк = 10 в при R_н = 1 ком (точка N ); и U_бк = 8 в при R_н = 2 ком (точка А' ).

Уменьшение питающего напряжения Е _к одновременно уменьшает и ток I_к , и напряжение U_бк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия А'В при Е_к = 6 в).

Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно найти пределы изменения коллекторного тока и напряжения на коллекторе. Так, если входное напряжение меняется от 150 мв до 250 мв (наша входная характеристика говорит о том, что такие пределы изменений вполне допустимы), то все события в транзисторе будут происходить в пределах участка MN нагрузочной прямой. При этом коллекторный ток будет меняться от 2 ма до 10 ма, а напряжение на коллекторе – от 2 в до 10 в. Отсюда легко найти и амплитудные значения напряжения и тока выходного (усиленного) сигнала I_ампл = I_к(MN) :2 = 8 ма: 2 = 4 ма. Мы делим I_к(MN) на два потому, что в этом интервале должны «поместиться» две амплитуды («положительная» и «отрицательная»), а значит, на каждую из них придется только половина I_к(MN) . Аналогично находим и амплитуду переменного напряжения: U_ампл = U_бк(MN) :2 = 8 в:2 = 4 в.

Прежде чем двигаться дальше, нам нужно покаяться в грехах, рассказать о некоторых неточностях, которые мы допустили, пытаясь отделить суть дела от второстепенных подробностей, и, по возможности, избежать лишних названий, терминов и объяснений.

Так, например, мы назвали входными характеристиками все графики, приведенные на рис. 54, в то время как входной характеристикой официально называется лишь зависимость I_э от U_эб . Более того, зависимость напряжения на нагрузке U_н от напряжения U_эб на входе транзистора попала в число входных характеристик совсем уже незаконно: все эти характеристики снимаются без нагрузки, при постоянном напряжении на коллекторе и поэтому называются статическими. Статическими, кстати, называются и все наши выходные характеристики. Они тоже снимаются без нагрузки, а влияние R_н учитывается путем несложных вычислений и построений.

Мы не отметили на входной характеристике очень небольшой эмиттерный ток, возникающий при отсутствии входного напряжения, то есть при U_эб = 0, если при этом есть хотя бы небольшое напряжение на коллекторе. Этот начальный ток появляется благодаря тому, что коллекторный ток создает в самой базовой области на ее собственном, внутреннем сопротивлении некоторое внутреннее напряжение, отпирающее эмиттерный переход даже тогда, когда нет внешнего отпирающего напряжения.

Другой «странный ток» – довольно большой коллекторный ток I_к , который существует даже при отсутствии коллекторного напряжения, то есть при U_бк = 0. Он появляется из‑за диффузии через базу зарядов, впрыснутых в нее из эмиттера.

Мы не будем продолжать перечисление подобных второстепенных, но несомненно интересных подробностей. Во‑первых, с некоторыми из них нам еще предстоит встретиться. Во‑вторых, уже пора сделать какие‑нибудь полезные выводы из долгого и трудного разбора входных и выходных характеристик транзистора.