НОБЕЛЕВСКАЯ — ЗА «КОШАЧЬИ УСИКИ»

Полвека назад появились первые публикации о том, что сотрудники фирмы «Белл Телефон Лабораториз» Джон Бардин и Уолтер Браттэйн, работая под руководством Уильяма Шокли, создали полупроводниковый триод, способный заменить вакуумную электронную лампу. В отличие от аналога — «кристадина», изобретенного в 1922 году нижегородским радиолюбителем О. Лосевым, заявленную конструкцию не преминули запатентовать. Тем более что выполнена она была на основе серийного германиевого диода, в котором вольфрамовые проволочки диаметром 50 мкм, названные авторами cat whiskers («кошачьи усики»), контактировали с поверхностью block of germanium crystal (пластинки кристалла германия).

Размещаясь в цилиндрическом корпусе диаметром 4,7 мм и длиной 9,5 мм, этот полупроводниковый прибор имел три вывода: эмиттер (лат. emittere — испускать, излучать), базу (греч. basis — основание, основа) и коллектор (поздне-лат. collector — собиратель). А название «ТРАНЗИСТОР» придумал Дж. Пирс, один из тогдашних руководителей фирмы-разработчика, как аббревиатуру из английских слов (TRANSfer resISTOR — передаточное сопротивление).

Первый транзистор был точечноконтактным. Включался он по схеме, где между коллектором и базой —довольно значительное отрицательное напряжение (до -50 В), характерное для запертого состояния обычного германиевого диода. И это не случайно. Ведь авторы считали, что в месте контакта коллекторного «усика» с поверхностью полупроводника имеется инверсионный слой носителей заряда — запас электронов. И если на эмиттерный контактик прибора подать, мол, небольшой положительный потенциал, то часть электронов «притянется» к этому «плюсу». Площадь коллекторного запертого «пятнышка» как бы уменьшится. Снизится и ток в коллекторной цепи.

Вводя в цепь эмиттер — база напряжение сигнала, рассуждали авторы далее, площадь «пятнышка» (то есть его контактную проводимость) легко изменять (модулировать). Соответственно будет подвергаться модуляции и ток запертого перехода коллектор — база. Полупроводниковый триод начнет работать как усилитель сигнала!

Дальнейшая исследовательская работа в области конструирования безвакуумных и безнакальных кристаллических усилителей привела к тому, что в 1949 году Уильяму Шокли удалось реализовать им же сформулированную идею классического сплавного транзистора с двумя р-n переходами, а годом позже — дать полную физико-математическую модель полупроводникового прибора, названного биполярным.

Это был поистине гениальный прорыв в неведомое. Правда, поначалу не представлялось возможным выполнить экспериментальную проверку на точность всех этих умопостроений и теоретических изысканий: полезный эффект тонул в поверхностных и объемных токах утечки тогдашних некачественных полупроводников.

Сейчас же, когда усилиями технологов свойства промышленных монокристаллов приблизились к идеальным, предвидения Шокли превратились в простые расчетные формулы. Это позволяет разрабатывать, выпускать и успешно эксплуатировать миллиарды полупроводниковых триодов и микросхем. Более того, проектировать и размещать на крохотных кристаллах микропроцессоров свыше десяти миллионов транзисторов, создавать персональные компьютеры и суперЭВМ, без которых дальнейший технический прогресс просто немыслим.

Уверенно шагая в будущее, человечество, конечно же, чтит первопроходцев в науке и полупроводниковой технике. Изобретатели транзисторов Бардин, Браттэйн и Шокли в 1956 году были удостоены Нобелевской премии. А шесть лет спустя Джон Бардин стал нобелевским лауреатом во второй раз — за теорию низкотемпературной сверхпроводимости.

Но вернемся к транзисторам. Полупроводниковый триод сплавной конструкции с двумя р-n переходами называют биполярным, потому что в формировании эффекта усиления здесь участвуют носители тока двух знаков: отрицательные — электроны n (negativus) и положительные — дырки р (positivus). Дырки — это отсутствие электронов на их «законном» месте в структуре монокристалла полупроводника. Как точечно-контактный, так и биполярный транзисторы имеют по три внешних вывода: эмиттер, базу и коллектор.

На рисунке 2 показана диаграмма токов, протекающих внутри такого трехэлектродного прибора, включенного по типовой схеме с общим эмиттером. Отношение изменения тока эмиттера (I_э) к вызвавшему этот процесс изменению тока базы (I_б) является важным параметром, который называют «бетта» (В) или, исходя из положений теории четырехполюсников, «аш два-один» (h₂₁). На практике его определяют специальным прибором.

Блок-схема прибора, так и названного «Бетамером», показана на рисунке 3. Фиксированный I_б испытуемому транзистору (VTM_исп) здесь задают два генератора стабильных токов (ГСТ), рассчитанные соответственно на 1мкА и 10 мкА. А значение В определяют по величине отклонения оттарированного индикатора (миллиамперметра) с полным отклонением стрелки шкалы при токе равном 1 мА. Источником питания служит батарейка U_ип=4,5 В.

Чтобы использовать в самодельном и достаточно точном «Бетамере» популярный (к тому же недорогой) стрелочный прибор М4762 (М6850), применявшийся еще совсем недавно в отечественных магнитофонах как индикатор уровня сигнала, нужно совсем немногое. Во-первых, уточнить внутреннее сопротивление измерительной головки R_вн и ток полного отклонения стрелки I_г. Во-вторых, собрать для разметки новой (десятичной!) шкалы простейшую схему (рис. 4а), содержащую цифровой вольтметр, исследуемую головку РА, гальванический элемент GB, потенциометр R_n (лучше многооборотный), ограничительный резистор R_oгp, а также выключатель S. Наконец, в-третьих, засучив рукава взяться за доработку прибора с попутным выполнением ряда измерений.

Прозрачную крышку М4762 надо снять, аккуратно подрезав ножом клей по контуру. А под стрелку осторожно приклеить подшкальник, вырезанный из белой плотной бумаги, на котором нанести остро отточенным твердым карандашом первую отметку («ноль» шкалы). Включив S и постепенно уменьшая номинал R_n, необходимо плавно довести стрелку М4762 до полного отклонения с одновременным замером на выводах головки напряжения U_г. А на шкале будущего «Бетамера» поставить вторую отметку.

Изменяя плавно сопротивление R_n, засекают на шкале положение стрелки для десятичного ряда фиксированных напряжений на измерительной головке: 0,1 U_г; 0,2U_г;…0,9U_г. Над соответствующими отметками наклеивают вырезанные из какого-либо каталога и т.п. изданий 2-мм цифры (0, 2, 4, 6, 8) и число 10. Затем устанавливают на место крышку стрелочного прибора с фиксацией ее положения микрокаплями клея. А в заключение рассчитывают номинал шунта по приведенным на рисунке 4б соотношениям. При I_шк =1 мА, R_г =1,02 кОм и U_г=0,532 В искомая величина R_ш=1,1 кОм. Шунт именно с таким сопротивлением можно выбрать с помощью образцового омметра из массы «ширпотребовских» резисторов, промаркированных, скажем, как 1 к 1 и имеющих гарантированный заводом-изготовителем 25-процентный класс точности.

Анализируя представленную на рис. 1 принципиальную электрическую схему «Бетамера» — самодельного прибора для современных полупроводниковых триодов (а измеряемые параметры у большинства из них намного выше, чем у появившегося полвека назад «усилительного кристалла с тонкими электродами — «кошачьими усиками», создатели которого удостоены Нобелевской премии), нельзя не отметить, что транзисторы VT1 1 и VT3 включены здесь как диоды смещения. Причем оба, фиксируя потенциалы баз VT2 и VT4, обеспечивают и надежную, не зависящую от «сюрпризов» температуры работу генераторов стабильных токов (ГСТ+ и ГСТ-). А благодаря введению в схему «Бетамера» резисторов R2, R6 с соответствующими номиналами удается к тому же достичь экономных токов открывания для VT1 и VT3, равных 0,12 мА.

Наилучшие результаты (по точности и стабильности работы) получаются при использовании в ГСТ интегральных пар транзисторов (полупроводниковых матриц). Например, когда в качестве VT1-VT2 применены однокристальные сборки p-n-p (2ТС3103 или КТС3103), а в роли VT3-VT4 выступает матричная п-р-п (К159НТ1). Но вполне приемлемы другие микросхемы-наборы транзисторов.

Можно также составить пары из дискретных полупроводниковых триодов. Правда, точность работы у ГСТ с такими элементами будет меньше, чем у интегральных аналогов (но снижение, как показывает практика, не выходит за пятипроцентный допуск).

При подборе дискретных пар предпочтение следует отдавать экземплярам, имеющим металлический корпус. Например, таким, как КТ3102 (n-p-n) и КТ3108 (p-n-p). Причем для уменьшения «дрейфа электрических параметров» целесообразно корпусы работающих в паре триодов склеивать друг с другом, предусмотрительно проложив между ними изоляцию.

В схемах обоих ГСТ присутствуют светодиоды VD1 и VD2. Их назначение: во-первых, стабилизировать потенциал смещения для транзисторных пар; во-вторых, обеспечивать самоиндикацию того, какой из ГСТ в данный момент включен (то есть что за тип «полупроводника» испытывается). Ведь каждый из используемых здесь светодиодов АЛС307А(Б) способен «держать» Uст на уровне 1,5 — 1,8 В. К тому же при минимуме тока (1 мА) — давать вполне удовлетворительное свечение.

Для подключения к прибору испытуемых транзисторов и «прозваниваемых» полупроводниковых диодов служат четыре измерительных провода с зажимами типа «микрокрокодил» в защитном чехле. А чтобы никто не смог перепутать «специализацию» каждого из них, применена цветная маркировка. В частности, виниловая изоляция провода «коллектор» и защитный чехол зажима для подсоединения одноименного электрода транзистора VТи — красные; все, что относится к базе испытуемого полупроводникового триода, — белое, а к эмиттеру — синее или зеленое. У провода с зажимом для «прозвонки» диодов и полевых транзисторов отличительным кодом является черный цвет.

Коммутатором полярности при работе с транзисторами n-p-n или p-n-p в приборе служит ползунковый переключатель S3 типа ПД4-1 (до недавнего времени такие использовались в отечественных карманных приемниках для перехода с одного диапазона радиоволн на другой). В качестве S2, изменяющего пределы измерений, на которые рассчитан «Бетамер», подойдет П2К с фиксацией, а в роли выключателя S1 — микротумблер МТ1.

Электрическая часть «Бетамера» собрана на внутренней стороне передней панели размером 130×75 мм, выпиленной из 3-мм фанеры (рис. 2). Центральное место здесь, конечно же, занимает РА1 (М476, доработанный по методике, изложенной в первой части публикации). Крепление измерительной головки — клеевое, с выводом стрелки и шкалы на лицевую сторону панели. Ниже РА1 располагаются светодиоды, коммутационные устройства S1, S3 и выводы измерительных проводов с зажимом «микрокрокодил», для которых в передней панели выполняются соответствующие отверстия.

В правом верхнем углу (если смотреть со стороны монтажа) размещается переключатель S2 (крепится с помощью уголкового алюминиевого кронштейна, «посаженного» на клей) для пределов измерений от В≤1000 до В≤100; а почти вся левая часть панели отдана гальванической батарее GB1, состоящей из трех элементов с общим напряжением 4,5 В.

Поскольку расход энергии у «Бетамера» незначительный, то частой замены источника электропитания не требуется (особенно экономичны ААА ENERGIZER). Значит, для соединения элементов в батарею можно использовать пайку. Но перед этим их следует обернуть скотчем или изолентой, вложить в коробчатую жестяную скобу (вырезанную из кофейной банки), а замок-стяжку припаять или просто загнуть и прижать, чтобы получился компактный, удобный для приклеивания к передней панели энергетический узел.

Теперь о монтажной плате. Делать ее печатной и компактной вряд ли целесообразно. Особенно начинающему радиолюбителю, да еще перед неминуемой калибровкой обоих ГСТ, при которой придется корпеть над точным подбором резисторов R3*, R4* (R7*, R8*). Как свидетельствует практика, предпочтение следует отдавать простейшей плате-кассете. Изготавливаемая из листа текстолита толщиной 0,5 мм (с расчерченными на его поверхности квадратными ячейками 2,5×2,5 мм, в углах которых просверлены отверстия диаметром 1 мм), она окажется весьма удобной, емкой и вместе с тем достаточно просторной для поочередного размещения и распайки радиоэлектронных компонентов схемы (рис. 3).

Чтобы исключить неурядицы при подсоединении такой платы к другим деталям и узлам, все отходящие от нее проводники необходимо промаркировать. Например, снабдить биркой с указанием порядкового номера каждый провод или место подключения. С той же целью желательно наклеить на боковые плоскости многосекционного переключателя S3 полоски бумаги с разметкой от S3.А до S3.Е. Неплохо также перед окончательным монтажом прибора свести все маркировочные данные в таблицу, которая может пригодиться в дальнейшем.

Монтировать генераторы стабильных токов надо на плате поочередно. Затем переходить к калибровке ГСТ в каждом из диапазонов работы «Бетамера», определяемом переключателем S2, подбирая и уточняя номиналы резисторов R3*. R4* (R7*, R8*). При этом в качестве юстировочной нагрузки следует использовать прецизионные (допустимое отклонение параметров от паспортных данных не должно превышать ±1%) резисторы номиналами 1 МОм и 100 кОм.

Подсоединив такой резистор к измерительным выводам — проводам «база» и «эмиттер», добиваются, чтобы падение напряжения на нем при протекании «калибровочного» тока 1 мкА (10 мкА), измеренное образцовым цифровым трехдекадным вольтметром с паспортным значением входного сопротивления 20 МОм, составляло 950 мВ (995 мВ). Подстраивать номиналы резисторов R3*, R4*, R7* и R8* надежнее всего методом параллельных и последовательных «довесков». Добившись калибровки 1 мкА и 10 мкА, общее сопротивление каждого «сборного» резистора надо замерить «цифровиком», а затем подыскать (для замены при окончательной сборке прибора) одиночный резистор соответствующего номинала.

Смонтированную на передней панели и тщательно отлаженную конструкцию следует установить в коробчатый корпус, выполненный из 2-мм фанеры с использованием четырех крепежных косяков и клея «Мастер» или «Спрут». При этом следует учесть, что прочность и долговечность клеевого шва повышаются, если в течение всего периода полимеризации клея соединяемые детали остаются плотно прижатыми друг к другу (с помощью струбцин). При комнатной температуре на это уходит сутки-двое. И еще одна особенность: считающийся универсальным популярный клей «Момент» здесь, к сожалению, неприемлем: сделанные с его помощью швы со временем становятся хрупкими.

Готовый корпус надо зачистить мелкозернистой наждачной бумагой, покрыть морилкой (или акварелью любого цвета), хорошо просушить и нанести несколько слоев лака НЦ.

Тщательно сделанный прибор будет и выглядеть изящно, и работать безотказно. Значения Бета-параметра, определенные для одного и того же экземпляра VTИ при разных положениях переключателя S2, должны совпадать, благо начало обеих шкал у стрелочного индикатора выверенное и «растянутое».

Как показывает практика, погрешности измерений в большинстве случаев не выходят за вполне допустимый 10-процентный уровень. Исключение составляют лишь некоторые типы германиевых транзисторов. Ток утечки Iкбо у них — на уровне 1 мкА. Вычитаясь из штатного базового Iизм =10 мкА в ходе работы «Бетамера», он-то и приводит к снижению точности шкалы В≤100. Правда, значения Бета-параметра у германиевых биполярных триодов, как правило, не очень велики, так что небольшое превышение погрешности измерения над стандартными ±10% можно считать вполне нормальным. Впрочем, мощные Се-транзисторы проверять этим прибором нельзя.

Кремниевые биполярные триоды КТ практически любых серий имеют ток утечки Iкбо не более 1 нА, а потому сколько-нибудь значимого увеличения погрешности при измерениях Бета-параметра не наблюдается. Все, как говорится, в пределах нормы, и это явный плюс.

Несомненным достоинством рассматриваемой конструкции является также возможность использования прибора для «прозвонки» полупроводниковых диодов, выпрямительных «столбиков», светодиодов и им подобных элементов электро- и радиотехники. Надо лишь перевести S3 в положение «n-p-n» (тогда зеленый провод станет нулевым), присоединить к «плюсу» испытуемого полупроводника черный провод, а к «минусу» — зеленый. По отклонению стрелки индикатора можно объективно судить о величине прямого тока, проходящего через проверяемый элемент. Для типового диода это менее 1 мА, что не представляет никакой опасности. Перевод S3 в положение «p-n-p» приводит к смене полярности подключения испытуемой детали. Показания стрелочного индикатора изменятся и для хорошего полупроводникового вентиля станут практически нулевыми.

Отрадно отметить, что среди запланированных возможностей самодельного прибора предусмотрена также проверка полевых транзисторов. Правда, придется довольствоваться лишь испытаниями по крайне упрощенной схеме, чтобы удостовериться, работает ли данный «полевик» или налицо явный отказ?

Не отличается сложностью и сама методика проведения такого рода испытаний. Подключив сток n-канального полевого транзистора к черному проводу, а исток — к зеленому (режим «n-р-n»), прикасаются рукой к выводу VTП «затвор». Если «полевик» исправен, то должен появляться и исчезать ток стока, в чем убеждаются по отклонению стрелки индикатора. Аналогичным образом поступают, когда приходится иметь дело с VTП (p-каналом), но сами испытания проводят уже в режиме «p-n-p».

И наконец, последнее. Характеристики самодельного прибора «Бетамер» можно существенно улучшить, используя вместо штатного стрелочного индикатора цифровой вольтметр с прецизионным резистором на входных клеммах, номинал которого 1 кОм ±1%. Каждый милливольт падения напряжения на таком резисторе будет соответствовать «единичке» Бета-параметра, поэтому для шкалы «В≤1000» надо использовать отсчет напряжения 1000 В, а для «В≤100» — 100 В.

В. ШИЛО