Транзисторы отечественные биполярные. Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень
- Перевод
В качестве демонстрации работоспособности концепции автор с командой создали подложки из германия на изоляторе, для создания инвертеров, содержащих сначала планарные транзисторы, а затем и FinFET-транзисторы
Почти 70 лет назад два физика из Телефонной лаборатории Белла – Джон Бардин и Уолтер Брэттейн – впрессовали два тонких золотых контакта в пластину из германия, и сделали третий контакт снизу пластины. Ток, проходивший через эту конструкцию, можно было использовать для превращения слабого сигнала в сильный. В результате появился первый транзистор – усилитель и переключатель, который, возможно, стал величайшим изобретением 20-го века. Благодаря закону Мура, транзистор развил компьютеры далеко за пределы того, что казалось возможным в 1950-е.
Несмотря на звёздную роль германия в ранней истории транзисторов, его вскоре заменили кремнием. Но сейчас, что удивительно, этот материал готов вернуться. Лидеры в производстве чипов раздумывают над заменой компонентов в самом сердце транзистора – токопроводящем канале. Идея в том, чтобы заменить кремний материалом, способным лучше проводить ток. Создание транзисторов с такими каналами может помочь инженерам продолжать улучшать показатели контуров по скорости и энергоэффективности, что будет означать появление улучшенных компьютеров, смартфонов, и множества других гаджетов в последующие годы.
Долгое время интерес к альтернативным каналам вращался вокруг соединений A III B V , таких, как арсенид галлия, состоящих из атомов, находящихся слева и справа от кремния в таблице Менделеева. И я участвовал в том исследовании. Восемь лет назад я , обозначив прогресс, сделанный в построении транзисторов на таких соединениях.
Два транзистора в инвертере на основе FinFET содержат плавниковые каналы, выделяющиеся из плоскости подложки (вверху – розовые каналы, внизу – скошенный вид на ещё один набор). Расстояния между «плавниками» вверху – десятки нанометров.
Но в результате мы обнаружили, что у подхода с A III B V существуют фундаментальные физические ограничения. А также он, скорее всего, был бы слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Так что несколько лет назад моя команда в Университете Пердью начала эксперименты с другим устройством: с транзистором, канал которого выполнен из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые контуры КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) . Примерно та же логика, что находится внутри современных компьютеров, только изготовленная из германия, выращенного на обычных кремниевых подложках. Мы также создали ряд различных транзисторных архитектур из этого материала. В них входят устройства из нанопроволоки, которые могут стать следующим шагом производства, когда сегодняшние лучшие транзисторы, FinFET, уже нельзя будет дальше уменьшать.
И что ещё интереснее, оказывается, что возвращать германий в работу не так сложно, как это кажется. Транзисторы, использующие комбинацию кремния и германия в канале, уже можно найти в новых чипах, и они впервые появились в 2015 году, в демонстрации будущих технологий изготовления чипов от IBM. Эти разработки могут стать первым шагом индустрии, стремящейся внедрять всё большие доли германия в каналы. Через несколько лет мы можем столкнуться с тем, что материал, подаривший нам транзисторы, помог перенести их в следующую эпоху выдающегося быстродействия.
Германий впервые изолировал и открыл немецкий химик Клеменс Уинклер в конце XIX века. Материал был назван в честь родины учёного, и всегда считался плохо проводящим ток. Это изменилось во время Второй Мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства германия – то есть, возможность переключения между проведением и блокированием тока. В послевоенные годы быстро развивались полупроводниковые устройства на германии. В США производство, отвечая на запросы рынка, возросло от нескольких сотен фунтов в 1946 до 45 тонн к 1960-му году. Но кремний выиграл; он стал популярным материалом для микросхем логики и памяти.
И для доминирования кремния есть веские причины. Во-первых, его больше, и он дешевле. У кремния более широкая запрещённая зона, энергетический барьер, который нужно преодолеть для создания проводимости. Чем больше эта зона, тем сложнее току просочиться через устройство в ненужный момент и зря потратить энергию. В качестве бонуса у кремния и теплопроводность была лучше, что позволяло легче отводить тепло, чтобы контуры не перегревались.
Учитывая все преимущества, естественно заинтересоваться – зачем бы нам вообще раздумывать над возвращением германия в канал. Ответ – мобильность. Электроны в германии при комнатной температуре двигаются почти в три раза охотнее, чем в кремнии. А дырки – отсутствие электрона в материале, рассматриваемое, как положительный заряд – двигаются почти в четыре раза охотнее.
Девятиступенчатый кольцевой КМОП-осциллятор, представленный в 2015 году
То, что в германии электроны и дырки такие мобильные, делает его удобным кандидатом для КМОП-контуров. КМОП сочетает два разных типа транзисторов: p-канальные FET (pFET), канал которых содержит избыток свободных дырок, и n-канальные FET (nFET), у которых есть избыток электронов. Чем быстрее они двигаются, тем быстрее работают контуры. А уменьшение напряжения, требуемого для их передвижения, означает и уменьшение энергопотребления.
Конечно, германий – не единственный материал с такой мобильностью частиц. Упомянутые ранее составы A III B V , материалы, такие, как арсенид индия и арсенид галлия, также могут похвастаться высокой подвижностью электронов. Электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Но проблема в том, что это свойство не распространяется на дырки – они не сильно подвижнее тех, что есть в кремнии. И это ограничение приводит к невозможности создания высокоскоростных pFET, а отсутствие скоростных pFET сводит на нет получение быстрых КМОП-контуров, поскольку они не могут работать с очень большой разницей в скоростях работы nFETs и pFETs.
Один из вариантов решения – взять от каждого материала лучшее. Исследователи во многих лабораториях, например, Европейской организации по исследованию полупроводников Imec и Цюрихской лаборатории IBM, показали способы создания контуров, у которых каналы nFET сделаны из составов A III B V , а pFET – из германия. И хотя эта технология может позволить создавать очень быстрые контуры, она сильно усложняет производство.
Поэтому нам больше нравится простой подход с германием. Германиевые каналы должны увеличить быстродействие, а проблемы производства будут не такими серьёзными.
Как дела у германия
Чтобы германий – или любой альтернативный материал – попал в производство, необходимо найти способ добавления его на кремниевые подложки, используемые в настоящее время для изготовления чипов. К счастью, существует множество способов нанести на кремниевую подложку германиевый слой, из которого потом можно сделать каналы. Использование тонкого слоя устраняет две ключевые проблемы германия – высокая по сравнению с кремнием стоимость, и относительно плохая теплопроводность.
Но чтобы заменить кремний в транзисторе, недостаточно просто впихнуть тонкий и высококачественный слой из германия. Канал должен безупречно работать с другими компонентами транзистора.
В вездесущих современных КМОП-чипах используются транзисторы на основе МОП (металл-оксид-полупроводник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor - MOSFET). У него есть четыре базовых части. Исток и сток – исходная и конечная точка перемещения тока; канал, соединяющий их; затвор, служащий клапаном, контролирующим наличие тока в канале.
В реальности в качественном транзисторе присутствуют и другие ингредиенты. Один из самых важных – изолятор затвора, предотвращающий короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких, как кремний, германий и составы A III B V , расположены в трёх измерениях. Идеально плоскую поверхность изготовить нельзя, поэтому у атомов, находящихся вверху канала, будет несколько выпирающих связей. Вам необходимо изолятор, связывающий как можно больше этих связей, и этот процесс называется пассивацией, или поверхностной протравкой. В случае некачественного изготовления можно получить канал с «электрическими выбоинами», полный таких мест, где переносчики заряда могут временно задерживаться, что понижает их подвижность и, в результате, скорость работы устройства.
Слева: nFET из составов A III B V , и pFET из германия, кусочки обеих материалов выращены на кремниевой подложке с изоляцией.
Справа: оба транзистора выполнены из германия, связанного с подложкой.
К счастью, природа снабдила кремний естественным изолятором, хорошо совпадающим с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO 2). И хотя в современных транзисторах встречаются более экзотические изоляторы, в них всё равно есть тонкий слой этого оксида, служащий для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO 2 близки по структуре, хорошо изготовленный слой SiO 2 связывает 99 999 из 100 000 свободных связей – а на квадратном сантиметре кремния их содержится примерно столько.
Арсенид галлия и другие составы A III B V не обладают естественным оксидами, а у германия он есть – поэтому, в теории, у него должен быть идеальный материал для пассивации канала. Проблема в том, что диоксид германия (GeO 2) слабее, чем SiO 2 , и может поглощаться и растворяться водой, используемой для очистки подложек во время изготовления чипов. Что ещё хуже, процесс роста GeO 2 сложно контролировать. Для идеального устройства требуется слой GeO 2 в 1-2 нм толщиной, но в реальности сложнее сделать слой тоньше 20 нм.
Исследователи изучали разные альтернативы. Профессор из Стэнфорда, Кришна Сарасват , и его коллеги, подстегнувшие интерес к использованию германия в качестве альтернативного материала ещё в 2000-х, сначала изучали диоксид циркония, материал с высокой диэлектрической проницаемостью того типа, что используется сегодня в высокоскоростных транзисторах. На основе их работы группа из Imec в Бельгии изучили, что можно сделать со сверхтонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и подобными материалами.
Но пассивация германия была серьёзно усовершенствована в 2011 году, когда команда профессора Шиничи Такаги из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора. Сначала исследователи вырастили нанометровый слой ещё одного изолятора, оксида алюминия, на германиевом канале. После этого их разместили в кислородной камере. Часть кислорода прошла через слой оксида алюминия к находящемуся внизу германию, и смешалась с ним, сформировав тонкий слой оксида (соединение германия с кислородом, но технически не GeO 2). Оксид алюминия не только помогает контролировать рост, но и служит защитным покрытием для менее стабильного слоя.
Нанопроводные каналы
Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и учитывая сложности создания pFET с каналами из A III B V , моя группа в Пердью начала исследовать способы создания транзисторов на германиевых каналах. Мы начали с использования подложек с германием на изоляторе, разработанных французским производителем Soitec. Это стандартные кремниевые подложки с изолирующим слоем, находящимся под 100 нм слоем германия.
С этими подложками можно создавать транзисторы, у которых все стандартные части – исток, канал и сток – сделаны из германия. Производителю транзисторов не обязательно следовать такой конструкции, но нам так было проще изучать основные свойства германиевых устройств.
Одним из первых препятствий стала борьба с сопротивлением между истоком и стоком транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера Шоттки, появляющегося в месте контакта металла и полупроводника. Кремниевые транзисторы без устали оптимизировали для минимизации этого барьера, так, чтобы переносчикам заряда было легко его преодолевать. Но в германиевом устройстве требуются хитрые инженерные решения. Благодаря нюансам электронной структуры дырки легко перемещаются из металла в германий, а вот электроны – не очень. Это значит, что у nFET, полагающихся на передвижения электронов, будет очень большое сопротивление, потери тепла и тока.
Стандартный способ сделать барьер тоньше – добавить больше легирующей примеси к истоку и стоку. Физика процесса сложна, но представить её можно так: больше атомов примеси привносят больше свободных зарядов. При изобилии свободных переносчиков заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми истоком и стоком усиливается. Это и помогает усиливать туннельный эффект.
К сожалению, с германием такая технология работает хуже, чем с кремнием. Материал не выдерживает больших концентраций легирующих примесей. Но мы можем использовать те места, где плотность примесей максимальна.
Для этого воспользуемся тем, что в современные полупроводники примеси добавляются сверхвысокими электрическими полями, заталкивающими ионы в материал. Некоторые из этих атомов сразу останавливаются, иные же проникают глубже. В результате вы получите нормальное распределение: концентрация атомов примесей на некоторой глубине будет максимальной, а затем при перемещении вглубь или в обратном направлении будет уменьшаться. Если мы заглубим электроды истока и стока в полупроводник, мы можем поместить их в места наивысшей концентрации атомов примеси. Это кардинально уменьшает проблему сопротивления контактов.
Контакты погружаются на глубину максимальной концентрации атомов примесей
Вне зависимости от того, будут ли производители чипов использовать такой подход для уменьшения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация его возможностей. В начале нашего исследования лучшее, что показывали германиевые nFET, это токи в 100 мкА на каждый мкм ширины. В 2014 году на симпозиуме VLSI Technology and Circuits на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET, способных пропускать уже в 10 раз больше тока, что примерно сравнимо с кремнием. Через шесть месяцев мы продемонстрировали первые контуры, содержащие германиевые nFET и pFET, необходимое предварительное условие для изготовления современных логических микросхем.
С тех пор мы использовали германий для постройки более продвинутых транзисторов, таких, как FinFET – современный уровень техники. Мы даже делали нанопроводные транзисторы на германии, которые в ближайшие годы могут заменить FinFET.
Эти разработки потребуются для того, чтобы германий стали использовать в массовом производстве, поскольку с их помощью можно лучше контролировать канал транзистора. Благодаря небольшой запрещённой зоне германия, такой транзистор требует всего четверти энергии, необходимой для переключения в проводящее состояние кремниевого транзистора. Это открывает возможности для низкоэнергетической работы, но это же делает более вероятной и утечку тока в то время, когда он этого делать не должен. Устройство с лучшим контролем над каналом позволит изготовителям использовать малую запрещённую зону без компромиссов с быстродействием.
Мы взяли хороший старт, но у нас ещё есть работа. Например, необходимы дополнительные эксперименты с подложками, которые должны показать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Также необходимо внести улучшения в дизайн для ускорения.
Конечно, германий – не единственный вариант для транзисторов будущего. Исследователи продолжают изучать составы A III B V , которые можно использовать как вместе с германием, так и обособленно. Количество возможных улучшений транзисторов огромно. В этот список входят транзисторы на углеродных нанотрубках , вертикально ориентированные переключатели, трёхмерные контуры, каналы из смеси германия и олова, транзисторы, основанные на принципе квантового туннелирования.
В ближайшие годы, возможно, мы адаптируем какие-то из перечисленных технологий. Но добавление германия – даже в смеси с кремнием – это решение, которое позволит производителям продолжать улучшение транзисторов уже в ближайшем будущем. Германий, изначальный материал эры полупроводников, может стать панацеей её следующего десятилетия.
Теги:
- транзисторы
- германий
В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.
ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной - электронной (n ) и дырочной (p ) - проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых - либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.
Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.
У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.
Схемы включения транзистора
Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.
Схема включения транзистора с общим коллектором
– предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель
.
Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой . Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.
Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.
Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.
Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.
Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:
Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.
Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.
Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).
Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.
На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С . Средняя точка – В , является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.
По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С , транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А . При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С , до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.
По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.
Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)
Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:
Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);
Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;
В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;
Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);
Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;
Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.
Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ
Исходные данные:
Питающее напряжение U и.п. =12 В.
Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:
P max =150 мВт; I max =150 мА; h 21 >50.
Принимаем R к =10*R э
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В
Решение:
1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.
Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):
I к0 =P рас.max /U кэ0 =P рас.max /(U и.п. /2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:
(R к +R э )=(U и.п. /2)/I к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.
Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов:
R к = 270 Ом; R э = 27 Ом.
4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.
U к0 =(U кэ0 + I к0 *R э )=(U и.п. — I к0 *R к ) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Определим ток базы управления транзистором:
I б =I к /h 21 =/h 21 = / 50 = 0,8 мА.
6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:
R б1 ,R б2 : I дел. =10*I б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тогда полное сопротивление резисторов
R б1 +R б2 =U и.п. /I дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:
U э =I к0 *R э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,
где I к0 — ток покоя транзистора.
8. Определяем напряжение на базе
U б =U э +U бэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В
Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:
R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.
9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.
На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н
=R вх
*C вх
, где R вх
=R э
*h 21
, C вх
— разделительная входная емкость каскада. C вых
транзисторного каскада, это C вх
следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н
=1/t н
. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н
=1/(R вх
*C вх
)<
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.
Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми приборами и с этой статьи начнем разбираться с транзистором . В этой части мы познакомимся с устройством и маркировкой биполярных транзисторов .
Полупроводниковые транзисторы бывают двух видов: биполярные
и полевые
.
В отличие от полевых транзисторов биполярные получили наиболее широкое применение в радиоэлектронике, а чтобы эти транзисторы как-то отличать друг от друга, биполярные принято называть просто — транзисторами.
1. Устройство и обозначение биполярного транзистора.
Схематично биполярный транзистор можно представить в виде пластины с чередующимися областями разной электропроводности, которые образуют два p-n перехода. Причем обе крайние области обладают электропроводностью одного типа, а средняя область электропроводностью другого типа, и где каждая из областей имеет свой контактный вывод.
Если в крайних областях полупроводника преобладает дырочная электропроводность, а в средней области электронная , то такой полупроводниковый прибор называют транзистором структуры p-n-p .
А если в крайних областях преобладает электронная электропроводность, а в средней дырочная , то такой транзистор имеет структуру n-p-n .
А теперь возьмем схематичную часть транзистора и прикроем любую крайнюю область, например, область коллектора , и посмотрим на результат: у нас остались открытыми область базы и эмиттера , то есть получился полупроводник с одним p-n переходом или обычный полупроводниковый диод. О диодах можно почитать .
Если же мы прикроем область эмиттера , то останутся открытыми области базы и коллектора — и также получается диод.
Отсюда возникает вывод, что биполярный транзистор можно представить в виде двух диодов с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. При этом общая (средняя) область называется базой , а примыкающие к базе области коллектором и эмиттером . Это и есть три электрода транзистора.
Примыкающие к базе области делают неодинаковыми: одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходил ввод (инжекция) носителей заряда в базу , а другую область делают таким-образом, чтобы в нее эффективно осуществлялся вывод (экстракция) носителей заряда из базы .
Отсюда получается:
ввод (инжекция) носителей зарядов в базу называется эмиттером эмиттерным .
область транзистора, назначением которой является вывод (экстракция) носителей из базы, называется коллектором , и соответствующий p-n переход коллекторным .
То есть получается, что эмиттер вводит электрические заряды в базу, а коллектор их забирает .
Различие в обозначениях транзисторов разных структур на принципиальных схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p транзисторах она обращена в сторону базы, а в n-p-n транзисторах – от базы.
2. Технология изготовления биполярных транзисторов.
Технология изготовления транзисторов ни чем не отличается от технологии изготовления диодов. Еще в начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только из германия методом вплавления примесей, и такие транзисторы называют сплавными .
Берется кристалл германия и в него вплавляются кусочки индия.
Атомы индия диффузируют
(проникают) в тело кристалла германия, образуя в нем две области p-типа
– коллектор и эмиттер. Между этими областями остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника n-типа
, которую именуют базой. А чтобы защитить кристалл от влияния света и механического воздействия его помещают в металлостеклянный, металлокерамический или пластмассовый корпус.
На картинке ниже показано схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора, собранного на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу диска – ее наружный проволочный вывод.
Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Металлический колпак защищает прибор от влияния света и механических повреждений. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные германиевые транзисторы из серии МП37 — МП42.
В обозначении буква «М» говорит, что корпус транзистора холодносварной , буква «П» — это первая буква слова «плоскостной », а цифры означают порядковый заводской номер транзистора. Как правило, после заводского номера ставят буквы А, Б, В, Г и т.д., указывающие на разновидность транзистора в данной серии, например, МП42Б.
С появлением новых технологий научились обрабатывать кристаллы кремния, и уже на его основе были созданы кремниевые транзисторы, получившие наиболее широкое применение в радиотехнике и на сегодняшний день практически полностью вытеснившие германиевые приборы.
Кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125ºС), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения.
Основным методом изготовления современных транзисторов является планарная технология, а транзисторы, выполненные по этой технологии, называют планарными . У таких транзисторов p-n переходы эмиттер-база и коллектор-база находятся в одной плоскости. Суть метода заключается в диффузии (вплавлении) в пластину исходного кремния примеси, которая может находиться в газообразной, жидкой или твердой фазе.
Как правило, коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного кремния, на поверхность которой вплавляют близко друг от друга два шарика примесных элементов. В процессе нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластину кремния.
При этом один шарик образует в пластине тонкую базовую область, а другой эмиттерную . В результате в пластине исходного кремния образуются два p-n перехода, образующие транзистор структуры p-n-p. По такой технологии изготавливают наиболее распространенные кремниевые транзисторы.
Также для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы: сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии (двусторонняя, двойная односторонняя). Возможный пример такого транзистора: базовая область может быть диффузионная, а коллектор и эмиттер – сплавные.
Использование той или иной технологии при создании полупроводниковых приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также их надежностью.
3. Маркировка биполярных транзисторов.
На сегодняшний день маркировка транзисторов, согласно которой их различают и выпускают на производствах, состоит из четырех элементов.
Например: ГТ109А, ГТ328, 1Т310В, КТ203Б, КТ817А, 2Т903В.
Первый элемент — буква Г , К , А или цифра 1 , 2 , 3 – характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы транзистора.
1
. Буква Г
или цифра 1
присваивается германиевым
транзисторам;
2
. Буква К
или цифра 2
присваивается кремниевым
транзисторам;
3
. Буква А
или цифра 3
присваивается транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия
.
Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах: германий – выше 60ºС, а кремний – выше 85ºС.
Второй элемент – буква Т от начального слова «транзистор».
Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый заводской номер разработки и назначение транзистора. Эти параметры даны в справочнике по транзисторам.
Четвертый элемент – буква от А до К – указывает разновидность транзисторов данной серии.
Однако до сих пор еще можно встретить транзисторы, на которых стоит более ранняя система обозначения, например, П27, П213, П401, П416, МП39 и т.д. Такие транзисторы выпускались еще в 60 — 70-х годах до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Пусть эти транзисторы устарели, но они все еще пользуются популярностью и применяются в радиолюбительских схемах.
В рамках этой части статьи мы рассмотрели лишь общие методы изготовления транзисторных структур, чтобы начинающему радиолюбителю было легче понять внутреннее устройство транзистора.
На этом мы закончим, а в проведем несколько опытов и на их основе сделаем практические выводы о работе биполярного транзистора
.
Удачи!
Литература:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.
Подборка справочных данных на отечественные биполярные транзисторы малой, средней и большой мощности. В основном производства советского союза
Полупроводниковые приборы малой мощности имеют допустимую мощность рассеяния в коллекторном переходе до 0,3 Вт . (Под мощностью в данной классификации подразумевается мощность, выделяемая на коллекторном переходе полупроводника) Отвод тепла от коллекторного перехода к корпусу у них происходит вдоль тонкой пластины базы, имеющей малую теплопроводность. Рассчитываются для работы без специальных теплоотводящих устройств (радиаторов).Все внешние выводы расположены по диаметру донышка и в обычно средний вывод является базовым, а эмиттерный расположен чкть ближе к базовому, чем коллекторный.
К этим полупроводникам относят приборы с рассеиваемой мощностью в интервале от 0,3 до 1,5 Вт
Для транзисторов большой мощности рассеиваемая мощность превышает 1,5 Вт.
Типы корпусов зарубежных и отечественных транзисторов |
Корпус - это основная и самая габаритная часть конструкции абсолютно любого транзистора, выполняющая защитную функцию от внешних воздействий и используемая также для соединения с внешними схемами с помощью металлических выводов. Типы корпусов зарубежных транзисторов стандартизованы для простоты процесса изготовления и применения изделий в радиолюбительской практике. Число типовых транзисторов в настоящее время исчисляется сотнями.
Каждый полупроводниковый прибор, в том числе и транзистор, имеет свое уникальное обозначение, по которой можно его идентифицировать из кучи других радиокомпонентов и деталей.
Основным элементом двухпереходного биполярного транзистора является монокристалл полупроводника типа п или р, в котором с помощью примесей созданы три области с электронной и дырочной электропроводимостью, разделенные двумя p-n переходами (смотри рисунок в верхней части страницы). Если средняя область имеет электронную проводимость типа п, а две крайние дырочную типа р, то такой транзистор имеет структуру р-п-р в отличие от транзисторов п-р-п, имеющих среднюю область с дырочной, а крайние области с электронной проводимостями.
Средняя область 1 кристалла полупроводника с n-проводимостью называется базой. Одна крайняя область 2 с р-проводимостью, инжектирующая (эмиттирующая) неосновные носители заряда, называется эмиттером, а другая 3, осуществляющая экстракцию (выведение) носителей заряда из базы, - коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора эмиттерным 4 и коллекторным 5 р-п-переходами. От базы 1, эмиттера 2 и коллектора 3 сделаны металлические выводы (Б, Э, К), которые проходят через изоляторы в дне корпуса.
Транзисторы изготовляют в герметичных металлостеклянных, металлокерамических или пластмассовых корпусах, а также без корпусов. Бескорпусные транзисторы защищены от влияния внешней среды слоем лака, смолы, легкоплавкого стекла и герметизируются совместно с устройством, в котором они предварительно монтируются. настоящее время большинство транзисторов, в том числе транзисторы интегральных схем, выполняют на основе кремния с плоскостным типом перехода. Применение точечных переходов из-за нестабильности работы ограничено. Базовая область транзисторов выполняется с очень малой толщиной (от 1 до 25 мкм). Различна степень легирования областей. Концентрация примесей в эмиттере на несколько порядков выше, чем в базе. Степень легирования базы и коллектора зависит от типа транзистора.
В рабочем режиме к электродам транзисторов подключают постоянные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений, к электродам подводят сигналы, подлежащие преобразованию. В связи с этим различают входную цепь, в которую подводят сигнал, и выходную, в которой с нагрузки снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. В схеме с ОЭ входной является цепь базы, а выходной- цепь коллектора. В схеме с ОК входной является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.
Физические процессы, протекающие в транзисторах со структурой р-п-р и п-р-п, одинаковы. В транзисторах п-р-п в отличие от транзисторов р-п-р подается напряжение обратной полярности и токи имеют противоположное направление.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы включения транзистора.
Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный- обратное напряжение. В активном режиме эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители, а коллектор производит экстракцию (выведение) неосновных носителей из базовой области.
В режиме отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения, при которых ток через транзистор ничтожно мал. В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в обоих переходах происходит инжекция носителей; транзистор превращается в двойной диод; ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт.
В режимах отсечки и насыщения обычно используется транзистор в схемах электронных переключателей. В инверсном режиме меняют функции эмиттера и коллектора, подключив к коллекторному переходу прямое, а к эмиттерному--обратное напряжение. Однако из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в областях коллектора и эмиттера инверсное включение транзистора неравноценно его нормальному включению в активном режиме.
В конце позапрошлого века немецкий химик К.А. Винклер открыл элемент, существование которого заранее было предсказано Д.И. Менделеевым. А 1 июля 1948 г. в подвале газеты «Нью-Йорк Таймс» появилась короткая заметка под заголовком «Создание транзистора». В ней сообщалось об изобретении «электронного прибора, способного заменить в радиотехнике обычные электровакуумные лампы».
Разумеется, первые транзисторы были германиевыми, и именно этот элемент произвел настоящий переворот в радиотехнике. Не будем спорить, выиграли ли ценители музыки при переходе от ламп к транзисторам - дискуссии эти уже успели порядком поднадоесть. Давайте лучше зададим себе другой, не менее актуальный вопрос: пошел ли на пользу звуку следующий виток эволюции, когда кремниевые приборы пришли на смену германиевым? Век последних был недолог, и они не оставили после себя, подобно лампам, ощутимого звукового наследия. Сейчас германиевые транзисторы не выпускаются ни в одной стране, и о них уже вспоминают крайне редко. А зря. Я считаю, что любой кремниевый транзистор, будь он биполярный или полевой, высокочастотный или низкочастотный, малосигнальный или мощный, менее пригоден для высококачественного звуковоспроизведения, чем германиевый. Для начала давайте рассмотрим физические свойства обоих элементов.*
* Публикуется по H.J.Fisher, Transistortechnik fur Den Funkamateur. Перевод А.В. Безрукова, М., МРБ, 1966.
| Свойства | Германий | Кремний |
| Плотность, г/см 3 | 5,323 | 2,330 |
| Атомный вес | 72,60 | 28,08 |
| Количество атомов в 1 см 3 | 4,42*10 22 | 4,96*10 22 |
| Ширина запрещенной зоны, ЭВ | 0,72 | 1,1 |
| Диэлектрическая постоянная | 16 | 12 |
| Температура плавления, °С | 937,2 | 1420 |
| Теплопроводность, кал/см X сек X град | 0,14 | 0,20 |
| Подвижность электронов, см 2 /сек*В | 3800 | 1300 |
| Подвижность дырок, см 2 /сек*В | 1800 | 500 |
| Продолжительность жизни электрона, мксек | 100 - 1000 | 50 - 500 |
| Длина свободного пробега электрона, см | 0,3 | 0,1 |
| Длина свободного пробега дырки, см | 0,07 - 0,02 | 0,02 - 0,06 |
Из таблицы видно, что подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, а также длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше у германия, а ширина запрещенной зоны ниже, чем у кремния. Известно также, что падение напряжения на переходе p-n составляет 0,1 - 0,3 В, а на n-p - 0, 6 - 0,7 В, из чего можно сделать вывод, что германий является гораздо лучшим «проводником», чем кремний, а следовательно, и каскад усиления на транзисторе p-n-p имеет значительно меньшие потери звуковой энергии, чем аналогичный на n-p-n. Возникает вопрос: почему же выпуск германиевых полупроводников был прекращен? Прежде всего потому, что по некоторым критериям Si намного предпочтительнее, поскольку может работать при температуре до 150 град. (Ge - 85), да и частотные свойства у него несравненно лучше. Вторая причина чисто экономическая. Запасы кремния на планете практически безграничны, в то время как германий - довольно редкий элемент, технология получения и очистки которого значительно дороже.
Между тем, для применения в домашней аудиотехнике упомянутые преимущества кремния абсолютно неочевидны, а свойства германия, наоборот, крайне привлекательны. Кроме того, в нашей стране германиевых транзисторов хоть завались, да и цены на них просто смешные.**
** Предвижу, что после выхода этой статьи цены на радиорынках могут подскочить, как это уже произошло с некоторыми типами ламп и микросхем - Прим. ред.
Итак, приступим к рассмотрению схем усилителей на германиевых полупроводниках. Но сначала несколько принципов, соблюдение которых исключительно важно для получения действительно высокого качества звучания.
- В схеме усилителя не должно быть ни одного кремниевого полупроводника.
- Монтаж производится объемным навесным способом, с максимальным использованием выводов самих деталей. Печатные платы значительно ухудшают звучание.
- Количество транзисторов в усилителе должно быть минимально возможным.
- Транзисторы следует отбирать попарно не только для верхнего и нижнего плеча выходного каскада, но и для обоих каналов. Стало быть, придется отобрать по 4 экземпляра с возможно близкими значениями h21э (не менее 100) и минимальным Iко.
- Сердечник силового трансформатора изготавливается из пластин Ш с сечением не менее 15 см 2 . Очень желательно предусмотреть экранную обмотку, которую следует заземлить.
Схема №1, минималистская
Принцип не нов, такая схемотехника была весьма популярна в шестидесятые годы. На мой взгляд, это чуть ли не единственная конфигурация бестрансформаторного усилителя, соответствующая аудиофильским канонам. Благодаря своей простоте позволяет добиться высокого качества звучания при минимальных затратах. Автором она была лишь адаптирована к современным требованиям High End Audio.
Настройка усилителя весьма проста. Сначала устанавливаем резистором R2 половину напряжения питания на «минусе» конденсатора С7. Затем подбираем R13 так, чтобы миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь выходных транзисторов, показал ток покоя 40 - 50 мА, не больше. При подаче сигнала на вход следует убедиться в отсутствии самовозбуждения, хотя оно и маловероятно. Если все же на экране осциллографа заметны признаки ВЧ-генерации, попробуйте увеличить емкость конденсатора С5. Для устойчивой работы усилителя при изменении температуры диоды VD1, 2, должны быть смазаны теплопроводной пастой и прижаты к одному из выходных транзисторов. Последние устанавливаются на теплоотводах площадью не менее 200 см 2 .
Схема №2, усовершенствованная
В первой схеме был квазикомплементарный выходной каскад, поскольку промышленность 40 лет назад не выпускала мощных германиевых транзисторов со структурой n-p-n. Комплементарные пары ГТ703 (p-n-p) и ГТ705 (n-p-n) появились лишь в 70-х, что позволило усовершенствовать схему выходного каскада. Но мир далек от совершенства - у перечисленных выше типов максимальный ток коллектора всего 3,5 А (у П217В Iк max = 7,5 A). Поэтому применить их в схеме можно, лишь поставив по два в плечо. Этим, собственно, и отличается №2, разве что полярность блока питания противоположна. И усилитель напряжения (VT1), соответственно, реализован на транзисторе другой проводимости.
Настраивается схема точно так же, даже ток покоя выходного каскада такой же.
Коротко о блоке питания
Для получения высокого качества звучания придется поискать в закромах 4 германиевых диода Д305. Другие категорически не рекомендуются. Соединяем их мостом, шунтируем слюдой КСО по 0,01 мкФ, а затем ставим 8 конденсаторов 1000 мкФ X 63 В (те же К50-29 или Philips), которые тоже шунтируем слюдой. Наращивать емкость не надо - тональный баланс уходит вниз, теряется воздух.
Параметры обеих схем примерно одинаковы: выходная мощность 20 Вт на нагрузке 4 Ом при искажениях 0,1 - 0,2%. Разумеется, эти цифры мало что говорят о звучании. Уверен в одном - послушав грамотно сделанный по одной из этих схем усилитель, вы вряд ли вернетесь к кремниевым транзисторам.
Апрель 2003 г.
От редакции:
Мы послушали у Жана прототип первого варианта усилителя. Первое впечатление - необычно. Звучание отчасти транзисторное (хороший контроль нагрузки, четкий бас, убедительный драйв), отчасти ламповое (отсутствие жесткости, воздух, деликатность, если хотите). Усилитель заводит, но не раздражает назойливостью. Мощности хватает, чтобы без малейших признаков клиппинга раскачать до невыносимой громкости напольную акустику с чувствительностью 90 дБ. Что интересно - тональный баланс на разных уровнях почти не меняется.
Это результат продуманной конструкции и тщательно подобранных деталей. Учитывая, что комплект транзисторов обойдется рублей в пятьдесят (хотя, если не очень повезет, для подбора пар может потребоваться несколько десятков, смотря какая партия попадется), не экономьте на других элементах, особенно конденсаторах.
Буквально за пару часов на макетной плате был собран один канал усилителя для анализа схемы. На выходе устанавливались американские германиевые транзисторы Altec AU108 с граничной частотой 3 МГц. При этом полоса пропускания по уровню 0,5 дБ была 10 Гц - 27 кГц, искажения на мощности 15 Вт примерно 0,2%. Доминировала 3-я гармоника, но наблюдались выбросы и более высоких порядков, вплоть до 11-го. С транзисторами ГТ-705Д (Fгр. = 10 кГц) ситуация была несколько иной: полоса сузилась до 18 кГц, зато гармоник выше 5-й на экране анализатора вообще не было видно. Изменилось и звучание - оно как-то потеплело, смягчилось, но искрящееся прежде «серебро» поблекло. Так что первый вариант можно рекомендовать для акустики с «мягкими» пищалками, а второй - с титановыми или пьезоизлучателями. Характер искажений зависит от качества конденсаторов С7 и С6 на схемах 1 и 2 соответственно. А вот их шунтирование слюдой и пленкой не очень заметно на слух.
К недостаткам схемы следует отнести малое входное сопротивление (около 2 кОм в верхнем положении регулятора громкости), которое может перегрузить выходной буфер источника сигнала. Второй момент - уровень искажений сильно зависит от характеристик и режима первого транзистора. Чтобы повысить линейность входного каскада, имеет смысл ввести две вольт-добавки для питания коллекторной и эмиттерной цепи T1 . Для этого делаются два дополнительных независимых стабилизатора с выходным напряжением 3 В. «Плюс» одного соединяется с шиной питания - 40 В (все пояснения даются для схемы 1, для другой схемы полярность меняется на противоположную), а «минус» подается на верхний вывод R4. Резистор R7 и конденсатор C6 из схемы исключаются. Второй источник включается так: «минус» на землю, а «плюс» - на нижние выводы резисторов R3 и R6. Конденсатор C4 при этом остается между эмиттером и землей. Возможно, стоит поэкспериментировать со стабилизированным питанием. Любые изменения в питании и самой схеме усилителя радикально влияют на звук, что открывает широкие возможности для твикинга.
| Таблица 1. Детали усилителя | |||
| Сопротивления | |||
| R1 | 10k | переменное, ALPS тип A | |
| R2 | 68k | подстроечное CП4-1 | |
| R3 | 3k9 | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R4 | 200 | 1/4 w | -//- |
| R5 | 2k | 1/4 w | -//- |
| R6 | 100 | 1/4 w | -//- |
| R7 | 47 | 1 w | -//- |
| R8,R9 | 39 | 1 w | -//- |
| R10, R11 | 1 | 5 w | проволочные, С5 - 16МВ |
| R12 | 10k | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R13 | 20 | 1/4 w | -//- подбирается при настройке |
| Конденсаторы | |||
| С1 | 47 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С2 | 100 мкФ х 63 В | -//- | |
| С3 | 1000 пФ | КСО, СГМ | |
| С4 | 220 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С5 | 330 пФ | ||
| С6 | 1000 мкФ х 63 В | К50-29, Philips | |
| С7 | 4 х 1000 мкФ х 63 В | -//- | |
| Полупроводники | |||
| VD1, VD2 | Д311 | ||
| VT1, VT2 | ГТ402Г | ||
| VT3 | ГТ404Г | ||
| VT4, VT5 | П214В | ||
| Таблица 2. Детали усилителя | |||
| Сопротивления | |||
| R1 | 10k | переменное, ALPS тип A | |
| R2 | 68k | подстроечное, CП4-1 | |
| R3 | 3k9 | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R4 | 200 | 1/4 w | -//- |
| R5 | 2k | 1/4 w | -//- |
| R6 | 100 | 1/4 w | -//- |
| R7 | 47 | 1 w | -//- |
| R8 | 20 | 1/4 w | -//-, подбирается при настройке |
| R9 | 82 | 1 w | -//- |
| R10 - R13 | 2 | 5 w | проволочные, С5 - 16МВ |
| R14 | 10k | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| Конденсаторы | |||
| С1 | 47 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С2 | 100 мкФ х 63 В | -//- | |
| С3 | 1000 мкФ х 63 В | К50-29, Philips | |
| С4 | 1000 пФ | КСО, СГМ | |
| С5 | 220 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С6 | 4 х 1000 мкФ х 63 В | -//- | |
| С7 | 330 пФ | КСО, СГМ, подбирается при настройке | |
| Полупроводники | |||
| VD1, VD2 | Д311 | ||
| VT1, VT2 | ГТ404Г | ||
| VT3 | ГТ402Г | ||
| VT4, VT6 | ГТ705Д | ||
| VT5, VT7 | ГТ703Д | ||