НОБЕЛЕВСКАЯ — ЗА «КОШАЧЬИ УСИКИ» (К пятидесятилетию изобретения транзистора)

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.

В. ШИЛО

(Окончание следует.)