Мини-лекции. Полупроводники. Транзисторы

   Открывая Международный конгресс по транзисторам, который в мае 1959 года состоялся в Лондоне, лорд Хейлшем сказал: «Я думаю, что даже в наиболее развитых в промышленном отношении странах один из десяти тысяч человек не сможет объяснить, что такое транзистор или даже, что такое полупроводник?»

   Да, есть такое явление в «жисти» которое ну никак обойти не получается?! Это полупроводники, а точнее полупроводниковые приборы. А всё начиналось с небольшого открытия-изобретения... Американцы Джон Бардин и Вальтер Браттейн сварганили небольшой приборчик, типа усилитель на каких-то там кристаллах ещё в далёком 1948 году. Штуковину назвали ТРАНЗИСТОР! От английских слов, tran(sfer) «переносить» + (re)sistor «сопротивление». Хрень какая-то? Но нам этих американцев вот так с ходу и не понять?!! Но как бы-то не было, а с этого и началось радиотехническое светопреставление...

   Если Вы хотите хоть, что-то понять, хотя бы минимум, что же такое транзистор, то Вам лучше начать вот с этой мини-лекции: http://proza.ru/2020/05/07/1732 В противном случае, — принимайте всё как есть!

   Не я первый и не я последний кто будет сравнивать электронную лампу с транзистором. В смысле это тоже лампа, но транзистор. Это всё равно, что тачку сравнивать с паровозом, где-то в чём-то?! Да некое сходство есть, но только сходство...

   Забавный случай произошёл на моих глазах где-то году 1970-ом?! В ВУЗе потребовали фото от каждого из нас (для военной кафедры) и не просто так, а по форме. Ну мы и попёрлись фоткаться... Через некоторое время пришли за своими рожами лица. Всем выдали кроме одного. Эта чёртова тётка долго-долго искала и никак не могла найти... И там искала и здесь?.. И всё без толку! Наконец выносит чью-то фотографию и показывая спрашивает клиента: «Может вам эта подойдёт?!!» Нет, нам лампа для объяснения не подойдёт! Только так, по мере необходимости...

   Из предыдущей мини-лекции Вы узнали (может быть?), что такое полупроводник? Что такое: примеси, доноры, акцепторы, P-N переходы... Что такое ДЫРКИ и как с ними бороться?.. Как Великое противостояние ненормальных полупроводников привело к изобретению диодов и в последствии ТРАНЗИСТОРОВ.

   Посмотрите на рис1с. Левая половинка и есть наш знакомый полупроводниковый диод. Две половинки соединённых ненормальных полупроводников. Справа тоже самое, но в зеркальном отражении. Зелёная половинка полупроводник с ЭЛЕКТРОННОЙ проводимостью. Или негативный, отрицательный он же типа-n. Жёлтая половинка соответственно ДЫРОЧНАЯ проводимость и типа-p. Между ними стало быть барьер, некая ширмочка так называемый p-n переход. Это как капризная барышня?! Для одних случаев — ай-яй-яй низзия! Для других — да пожалуйста, хочь все, по очереди! То есть проводимость односторонняя диод стало быть! Но соединим эти две критические массы и? И получим соединение двух диодов, включенных навстречу друг-другу. На рис1с, справа они и пристроились. На рис1, на рис1a,b Вы видите эти состыкованные диоды если нижние жёлтыми половинками, то на рис1b зелёными. Как Вы уже догадались их поведение зависит от полярности рабочих напряжений. Для одних справа плюс (+), то для верхнего минус (-)! Но для ламп только плюс и никак иначе?! Вот оно первое отличие!

   Итак, соединили две половинки и теперь к полученному бутерброду пришпандорим железки-контакты. Слева ЭМИТТЕР, справа КОЛЛЕКТОР, а посередине БАЗА. Нет не овощная на которую все уходят, а просто база. А вся эта хрень и есть ТРАНЗИСТОР. А нам осталось, хотя бы поверхностно узнать как это всё работает?! И тут как тут всплывает ещё одно отличие лампы от транзистора! Здесь нет нитей (катода) накала, накалять нечего?! И как показало вскрытие, ещё появилось одно отличие. Если для ламп рабочее напряжение от 200 вольт и выше, то для транзисторов в массе своей не более 30-80 В. В зависимости от мощности и предназначения транзистора?! В основном упирается в напряжение пробоя P-N переходов...

   Действующие лица нашего светопреставления рис7: знакомые со школы электроны, дырки — атомы германия, потерявшие один электрон, ион-донор — атом сурьмы или мышьяка, отдающий один электрон, ион-акцептор — атом индия принимающий электроны. Распределение этой банды в полупроводнике Вы и видите на рис1, рис1а, рис1b, рис1с, но? Но всё зависит от обстановки. Как Вы видите на рис1с две половинки объединившись получат бутерброд на рис1 и рис1а типа n-p-n. А, если объединить их зелёными сторонами, получится другой рис1b типа p-n-p. Всё, что на рис1 и рис1а можно применить и к рис1b, но чтобы получить картинку как на рис1 нужно поменять полярность этих двух батарей!

   Чтобы понять работу транзистора нужно разобраться с тем, что происходит на границе раздела двух полупроводников p-типа и n-типа рис1d? После соединения двух половинок (речь идёт о диоде), как тут же начинаются разборки и брожение... Чтобы внедриться в кристаллическую решётку доноры срочно избавляются от электронов. В другой половинке обиженные акцепторы наоборот захватывают отовсюду недостающие электроны. И как результат от неустойчивых морально атомов отбирают эти самые электроны делая из них дырки. Доноры очень недовольные присутствием положительно заряженных дырок стараются отодвинуть их от себя куда подальше! На край полупроводника. Акцепторы тоже не лыком шиты, отодвигают на другой край электроны. После кровавых разборок в центре всех баталий появляется некий забор, тот самый p-n переход. Это в нашем мировосприятии ширина забора около 3 микрон! Да, шастают независимые ни от чего кроме температуры электроны, но это так себе... Просто собственная проводимость! А, что потом?

   Потом как на рис1d к обоим половинкам подключают батарею. И от того как, в какой полярности, картинка меняется. Если вот так как на правой ситуация противостояния ещё более усугубляется! Ширина p-n забора увеличивается. Но совсем другая картина (левая картинка) после смены полярности! Под влиянием более сильных полей источника тока все поляризованные личности несутся как угорелые навстречу друг-друга создавая ток в цепи... Но это в случае с диодом, то есть с одним p-n переходом, а как же быть с нашим транзистором, составленным из двух переходов? Как его не подключай получает конфуз. Один переход открывается, второй наоборот запирается на десять замков! Вот тут-то и начинает свою игру БАЗА!

   До того молчаливое царство-государство представляло неподвижную (почти) картину рис1а, то при подаче напряжения на базу как на рис1 картина резко менялась! Ведь ЭМИТТЕР и БАЗА это диод. В нашем случае как на рис1d левая картинка. Забор-переход сломан и ток в цепи эмиттер-база начинает циркулировать... Этим воспользовались электроны и началось... Ведь только часть их давала ток базы, а остальные транзитом от эмиттера прямиком к КОЛЛЕКТОРУ! Ток в цепи эмиттер-коллектор превосходил ток базы (участников больше!). Чем больше ток базы тем шире дыра в заборе и стало быть ток КОЛЛЕКТОРА. То бишь эта чёртова база управляет током коллектора! А так-как ток базы измеряется в микроАМПЕРАХ, а коллектора в милиАМПЕРАХ налицо усиление токов и стало быть напряжений! Вот туточки транзистор уже ведёт себя как ЛАМПА-УСИЛИТЕЛЬ!

   График зависимости тока коллектора от напряжения базы на рис9. Значит подав на базу напряжение какого-нибудь синусоидального (в общем виде) сигнала, мы получим усиление его, а это же хорошо! Хорошо-то хорошо, да ничего (почти) хорошего?! От сигнала останутся одни огрызки как на рис9а (пурпурного цвета). Потому-как только полупериоды одной полярности открывают забор, а вот другие закрывают. Вот, чтобы исправить положение на базу так же как и в лампе нужно подать напряжение смещения Есм. И только после этого получится такая красивая картинка. И весь пурпурный цвет можно заменить на родной, зелёный и красный.

   А, теперь ближе к практическому применению нашего чуда... На рисунке розовый прямоугольничек, бэта коэффициент усиления транзистора по току! На рис5 Вы видите условное изображения транзисторов, как бы состоящих из трёх кусков полупроводников разной проводимости. Жёлтого цвета дырочной, — зелёного электронной. Рядом условное обозначение транзисторов на схеме. Внешне они как бы не отличаются, но? Но присмотритесь внимательней, у транзисторов тип p-n-p эмиттерная стрелочка направлена на базу, а у типа n-p-n наоборот, от базы.

   Рассмотрим устройство транзистора. Кстати такие обзываются биполярными в отличие от однополярной лампы. Так ещё в зависимости от типа структуры транзистора (p-n-p или n-p-n) полярность коллектора и базы противоположные. Во время производства транзисторов никто эти кубики-рубика не склеивает и не собирает?! Всё гораздо проще! Посмотрите на рис2 это условный вертикальный разрез-схема транзистора p-n-p типа. Берётся кусок германия и «заражают» его n-примесью сурьмы или мышьяка. Затем при помощи высокой температуры вплавляют в германий с двух сторон p-примесь индия. После такого издевательства образуются две p-зоны с двумя p-n переходами. Всё, транзистор (рабочая часть) готов! Осталось его смонтировать, довести до ума рис3. Здесь держатель вывод базы и приваривается к корпусу. Эмиттер и коллектор с помощью стоек выводится через стеклянные изоляторы наружу. Получается такая шляпа с тремя ногами... Корпус, с одной стороны механически защищает транзистор, а с другой является теплоотводом. В мощных транзисторах иногда теплоотводом делают специальные ребристые радиаторы либо даже металлические части аппаратов!

   В более поздние времена транзисторы изготовляли по несколько другой технологии рис8. В кусок германия с p-проводимостью вплавляли по очереди примеси n-проводимостью и p-проводимостью. Получалась вот такая картинка. Как уж там внутри всё это выглядело можно только догадываться?! Но, главное результат и соответствие стандарта!

   А теперь ближе к реальности. Вот на рис6 какой-то интернет-изверг отпилил башку транзистору, ну чтобы показать нам внутренности. Вы будете удивлены увидев сам транзистор (в сравнении с корпусом) в виде манюсенького квадратика обозначенного окружностью и стрелочка в придачу! Здесь как и на рис8 к корпусу присобачен коллектор. Отводы от базы и эмиттера припаиваются (привариваются) к жёстким выводам. Эта технология убивает сразу двух зайцев. Упрощается конструкция и корпус напрямую является теплоотводом. На рис6a,b,c,d показаны некоторые виды транзисторов, слева-направо: мощный, импортный транзистор BU-208; русско-советский КТ-315Г; без опознавательных знаков биполярный типа как на рис3.; и последний КП-103И. К — кремниевый, а П — ПОЛЕВОЙ. А это,что ещё за зверь, это транзистор такой? Да транзистор, но не совсем?! Как трансвестит, как бы мужик, но не мужик?! Это по-другому канальный транзистор.

   На рис11 схема-разрез именно такого, полевого-канального транзистора, но не совсем?! В кусок германия (кремния) n-типа внедряется слоем p-примесь с тонким слоем-каналом. отсюда и погоняло — КАНАЛЬНЫЙ! С двух сторон выводы ИСТОК и СТОК как бы русские аналоги эмиттера и коллектора. А вместо базы ЗАТВОР. Вот только база, в смысле затвор, не совсем база?! Да, на исток-базу подаётся напряжение. Но играет роль электрическое поле влияющее на ширину p-n перехода. Как бы водопроводный кран, отверстие для пропуска воды, — уже-шире... Теперь понятно почему ПОЛЕВОЙ? Сочетание букв ПК в обозначении транзистора и есть КРЕМНИЕВЫЙ и ПОЛЕВОЙ.

   Как только был изобретён транзистор, так всякие извращенцы начали его (транзистор) дёргать за его три ноги! И началось... И так его поставят и эдак... В конце концов остановились на трёх позициях! С общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Наиболее популярный вариант с ОЭ, схему которого Вы и видите на рис4.

   На рис10 схема однотранзисторного радиоприёмника на полевом транзисторе. Тот же детекторный с усилителем. Роль детектора выполняет сам транзистор. И напоследок маленькая схема рис7а. Это так называемый составной транзистор. В смысле два транзистора в одной упряжке! Может не так часто такие варианты используют, но используют!