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 п, 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 pai больше, чем собственных. Но в таком полупроводнике п-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 п-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 рп-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 рп-переходу обратное напряжение и основные заряды оттягиваются от гра-172

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

ницы 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 /обр- Именно из-за неосновных зарядов возникает в коллекторной цепи и неуправляемый ток /ко (рис. 60).

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-п-р, например, из эмиттера (зона р) в базу (зона п) поступают дырки, а в самой базе основные заряды - это электроны. Именно дырки - неосновные для базы заряды - уходят в коллекторный рп-переход и создают коллекторный, ток /„. 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 рп-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 Ua- 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 нащей власти.

Количество собственных дырок базы определяется лищь свойствами кристалла н температурой. А поэтому ток /„о, 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 /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-п-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 t/gK «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток /;. (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.) 174

При увеличении коллекторного напряжения Uk ток /к немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока /к под действием t/бк. Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением t/бн 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 t/бн очень слабо влияет на величину тока /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 t/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 Ug6-

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 /к, тем больше напряжение на нагрузке Uu = lK-Rn, тем меньше напряжение на самом коллекторе /бк = £к-Ua-

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося Одб, И С учетом меняющегося (7бк? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61). Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: /?н=1 ком и £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 {(/н=0) и все

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

напряжение источника Ец было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А; она как раз соответствует Сб1<=£к. так как напряжение батареи Ец мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение (/бк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток Л,) был бы по закону Ома равен /к=£к/?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 (/бк = 0 и току /к=12 ма, который под действием напряжения £„=12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки /?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 /„, ни (/бк практически никогда неравны 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 Rh и выбранном напряжении питания £„ связаны между собой входное напряжение (/эб, напряжение на коллекторе (/бк и коллекторный ток /«. Так, например, точка М говорит о том, что при (Уэб = 250 мв режим коллекторной цепи будет (/бк = 2 в и /к =10 ма; при (/эб=150 мв режим уже совсем иной: (/бк=10 в, /к = 2 ма (точка УУ). Разумеется, эти данные относятся лишь к /?н=1 ком и £„=12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки Rh, то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ), а если уменьшить Rh-более круто (АГ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Ек и уменьшается напряжение на коллекторе (/бк. Так при одном и том же входном напряжении (/эб = 150 мв получаем (/бк=10 в при /?н=1 ком (точка Л); и (/бк = 8 в при Rh=2 ком (точка Л).

Уменьшение питающего напряжения Е одновременно уменьшает и ток /«, и напряжение (Убк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия АВ прп Як=6 в).

Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно