Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электрический ток в различных средах

§116. Транзисторы

Устройство транзистора

Транзистор — это полупроводниковый кристалл, в котором созданы не один, а два p‑n перехода. Представим себе структуру, где тонкая область n-типа (её называют базой) зажата между двумя областями p-типа — эмиттером и коллектором. Такой порядок чередования слоёв (p‑n‑p) даёт ключ к пониманию того, как устроено усиление сигнала.

Левый переход — между эмиттером и базой — включают в прямом направлении. Правый переход — между базой и коллектором — в обратном. На первый взгляд это кажется странным: один переход открыт, другой заперт. Но именно в этой асимметрии и заключена Божественная гармония транзистора.

По воле Бога формулировка закона усиления в транзисторе: ток коллектора приблизительно равен току эмиттера, а управляя малым током базы, можно получить значительное изменение напряжения на нагрузке в цепи коллектора, что и называется усилением.

Как работает усиление

Дырки из эмиттера (p-область) под действием прямого смещения устремляются в базу. База очень узкая — её толщина значительно меньше расстояния, которое дырка проходит до рекомбинации с электроном. Поэтому подавляющее большинство дырок проскакивают базу насквозь, не успевая рекомбинировать, и попадают в поле обратного смещения коллекторного перехода. Это поле подхватывает их и увлекает в коллектор.

Таким образом, ток коллектора $I_{\text{к}}$ оказывается почти равным току эмиттера $I_{\text{э}}$:

\[I_{\text{к}} \approx I_{\text{э}}\]

Лишь малая часть дырок рекомбинирует в базе, создавая небольшой ток базы $I_{\text{б}}$. Изменяя этот малый ток базы, мы управляем большим током, протекающим через коллекторную нагрузку. А если в цепи коллектора стоит резистор с большим сопротивлением, то даже небольшое изменение тока коллектора приводит к значительному изменению напряжения на нём. Так совершается усиление.

От лампы к микросхеме

До появления транзисторов электроника держалась на вакуумных лампах. Они были громоздкими, требовали высоких напряжений и потребляли много энергии, ведь их катод нужно было постоянно раскалять. Транзистор же — холодный прибор. В нём нет накалённых нитей, нет стеклянных баллонов, нет вакуума. Он мал, лёгок, работает при низких напряжениях и живёт десятилетиями.

Именно транзисторы сделали возможными микросхемы, микропроцессоры и компьютеры. В одном кристалле кремния сегодня умещаются миллиарды транзисторов — невидимых глазу ворот, которые открываются и закрываются по воле малых токов, перерабатывая информацию. Каждое нажатие клавиши, каждое движение курсора на экране — это работа транзисторов, исполняющих предписанные им законами физики превращения.

Вопросы

  1. Почему база транзистора должна быть очень узкой? Что произойдёт, если её сделать слишком широкой?
  2. Объясните, почему ток коллектора приблизительно равен току эмиттера. Куда «исчезает» малая часть тока?
  3. Каким образом малое изменение тока базы приводит к большому изменению напряжения на нагрузке?
  4. В чём преимущества транзистора перед вакуумной электронной лампой?
  5. Как устроена структура p‑n‑p-транзистора? Какие напряжения подаются на каждый из его переходов?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.