§ 151. Полупроводниковые триоды

Полупроводниковые триоды, называемые транзисторами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью.
Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, сокращенно называются триодами типа р — n — р; триоды, у которых средняя область обладает дырочной проводимостью, — триодами типа n — р — n.
Физические процессы, происходящие в триодах двух типов, аналогичны.
Рассмотрим работу плоскостного кремниевого триода типа n — р — n. Такой триод (рис. 221) содержит два электронно-дырочных перехода, отделяющих две крайние области с электронной проводимостью от средней области с дырочной проводимостью.

В условиях работы триода к левому слою прикладывается прямое постоянное напряжение, а к правому — обратное. Под действием электрического поля большая часть электронов из левой n-области, преодолевая р — n-переход, переходит в очень узкую среднюю р-область. Здесь большая часть электронов продолжает движение по направлению ко второму переходу. Приближаясь к нему, электроны попадают в электрическое поле, созданное внешним положительным напряжением батареи U_к Под влиянием этого поля электроны быстро втягиваются в правую n-область, что вызывает увеличение тока в цепи этой батареи, так как сильно снижается сопротивление второго перехода.
При увеличении напряжения батареи U_э число электронов, двигающихся из левой области в среднюю, будет расти и, следовательно, число электронов, переходящих из средней области в правую, также будет увеличиваться.
Каждая из трех областей полупроводникового триода имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители зарядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носители зарядов, — коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. В известной мере можно считать, что эмиттер по своему назначению подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управляющей сетке трехэлектродной лампы.
Если в цепь эмиттера включить переменное напряжение U_с (рис. 222), то оно будет складываться с напряжением батареи U_э и изменять ток эмиттера. В результате этого через левый — эмиттерный переход будет протекать не постоянный, а пульсирующий электрический ток.

Изменение силы тока в цепи эмиттера ΔI_э вызовет изменение тока в цепи коллектора ΔI_к. Однако поскольку не все электроны, испускаемые эмиттером, достигают коллектора, а небольшая часть из них рекомбинирует, т. е. заполняет некоторое количество дырок в средней области триода (базе), изменение силы тока в цепи коллектора ΔI_к будет несколько меньше, чем в цепи эмиттера.
Практически сила тока коллектора составляет 98 — 99% тока эмиттера.
Так как к эмиттерному (левому) n — p-переходу приложено напряжение в прямом направлении, этот переход обладает малым сопротивлением. Правый же коллекторный р — n-переход, на который напряжение подано в обратном направлении, имеет большое сопротивление. По этой причине напряжение, прикладываемое к эмиттеру, обычно весьма невелико (порядка десятых долей вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (порядка нескольких десятков вольт).
Изменение силы тока в цепи, создаваемого малым напряжением U_э, вызывает почти такое же изменение силы тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение U_к.
В результате этого в триоде осуществляется усиление мощности.
Простейшая схема усилителя с полупроводниковым триодом изображена на рис. 223.

На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка R_н.
Батарея U_э подсоединяется в прямом направлении и поэтому эмиттерный n — р-переход обладает малым сопротивлением. Батарея U_к подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление коллекторного n — р-перехода имеет значительную величину.
Сопротивление нагрузки R_н при соответствующем подборе напряжения батареи U_к может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя.
Триод будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу (Р_вх = I_э² R_вх), меньше полезной мощности сигнала на выходе, т. е. в нагрузке (Р_н = I_к² R_н).
Коэффициент усиления по мощности

Ввиду того что база рассмотренного триода является общей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения называется схемой с общей базой.
При применении этой схемы выходной ток — ток коллектора практически равен току эмиттера — входному току, поэтому при включении триода по схеме с общей базой нет усиления по току, а происходит усиление мощности и напряжения.
Отличительные особенности триода типа р — n — р по сравнению с триодами типа n — р — n заключаются в обратной полярности включения источников питания, а также в том, что электрический ток в этих триодах создается в основном не электронами, а дырками.
Кроме этой схемы применяют еще две схемы включения полупроводниковых триодов: схема с общим (заземленным) эмиттером и схема с общим коллектором. В схеме с общим эмиттером (рис. 224, а) усиливаемый сигнал подается к зажимам «Вход» между базой и эмиттером, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки В этой схеме эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи триода.

Батарея U_б обеспечивает подачу постоянного напряжения на базу, а батарея U_к — подачу напряжения на коллектор триода. Особенностью этой схемы включения триода является ее способность обеспечить усиление по току и высокое усиление по мощности (достигает 10 000 раз), что и определяет ее широкое применение.
В схеме с общим коллектором (рис. 224, б) усиливаемый сигнал подается на зажимы «Вход» между базой и заземлением, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки R_н, подключенного к зажимам «Выход» — между эмиттером и заземлением. В этой схеме коллектор является общим электродом для входной и выходной цепи триода. Схема с заземленным коллектором используется в основном в первом входном усилительном каскаде. Это связано с тем, что схема имеет высокое входное сопротивление и не может обеспечить усиления напряжения сигнала больше единицы.
Важными параметрами полупроводниковых триодов являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой обозначается буквой α, а для схемы с общим эмиттером — буквой β.
Коэффициент усиления по току α определяется отношением изменения силы тока в цепи коллектора ΔI_к к изменению тока в цепи эмиттера ΔI_э при неизменном напряжении коллектор — база:

Коэффициент усиления по току β определяется отношением изменения силы тока в цепи коллектора ΔI_к к изменению тока в цепи базы ΔI_б при неизменном напряжении коллектор — эмиттер:

Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле

где ΔU₂ — изменение напряжения на выходе, в;
ΔU₁ — изменение напряжения на входе, в;
I₂ — сила тока в цепи выхода, а;
I₁ — сила тока в цепи входа, а;
R_н — сопротивление нагрузки, ом;
R_вх — входное сопротивление, ом.
Коэффициент усиления триода по мощности равен отношению выходной мощности P₂ к мощности подаваемой на его вход:

Этот коэффициент можно определить произведением коэффициентов усиления по току на коэффициент усиления по напряжению:

К_р = К_i · К_U. (166)

На рис. 225 показана принципиальная схема многокаскадного усилителя низкой частоты с применением полупроводниковых триодов. При входном напряжении 150 мв мощность на выходе усилителя достигает 1 вт при нагрузке 5 ом. Мощность, потребляемая от источника электрической энергии, примерно 4,5 вт.

На входе усилителя применен каскад на триоде с заземленным по низкой частоте коллектором. Выходное напряжение с этого каскада снимается с переменного сопротивления нагрузки R₄, включенного в цепь эмиттера. С помощью этого сопротивления, включенного как потенциометр, осуществляется регулировка усиления. Сопротивление включенное в цепь коллектора триода первого каскада, обеспечивает получение необходимого напряжения на коллекторе триода.
Второй каскад усилителя работает на триоде П202, включенном по схеме с заземленным эмиттером. Эта схема характеризуется высоким коэффициентом усиления по напряжению. Сопротивление R₈ — сопротивление нагрузки каскада.
Выходной каскад усилителя работает на триоде, включенном по схеме с заземленным эмиттером. Каскад нагружен на трансформатор Тр, во вторичную обмотку которого подключается звуковая катушка громкоговорителя типа 1ГД-9 сопротивлением 5 — 6 ом. В усилителе использованы сопротивления МЛТ и ВС мощностью 0,25 вт, малогабаритные переменные сопротивления и малогабаритные конденсаторы.