ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 25.11: Автоколебания

План решения:

Для анализа работы генератора на основе транзистора необходимо рассмотреть физику процессов в p-n переходах. В классическом биполярном транзисторе (например, структуры n-p-n или p-n-p) носители тока в базе и эмиттере/коллекторе имеют одинаковую природу (либо только электроны, либо только дырки). Это обеспечивает эффективную инжекцию носителей из эмиттера в базу и их последующий дрейф к коллектору под действием электрического поля.

В предложенной задаче описывается ситуация, когда природа носителей заряда меняется: в базе ток переносят дырки (p-тип), а в эмиттере и коллекторе — электроны (n-тип). Такая структура соответствует схеме n-p-n, но с важным уточнением условий задачи: обычно в n-p-n транзисторе база имеет p-тип (дырки как основные носители), а эмиттер и коллектор — n-тип (электроны как основные носители). Однако задача ставит вопрос об изменении работы при такой конфигурации по сравнению со стандартной или рассматривает гипотетический случай смешения типов проводимости, не характерный для одного типа транзистора в обычном понимании, либо проверяет понимание того, что именно определяет усиление.

Давайте разберем структуру подробнее. Если база имеет дырочную проводимость (p), а эмиттер и коллектор — электронную (n), то мы имеем дело с транзистором типа n-p-n. В таком транзисторе основными носителями в базе действительно являются дырки, а в эмиттере и коллекторе — электроны. Таким образом, условие задачи фактически описывает стандартную структуру n-p-n транзистора.

Вычисление и физический анализ:

Работа любого биполярного транзистора как элемента автоколебательного контура (генератора) зависит от коэффициента усиления по току β (или h_21e). Этот коэффициент определяется тем, какая доля носителей, инжектированных из эмиттера в базу, достигает коллектора.

• В структуре n-p-n: Электроны инжектируются из n-эмиттера в p-базу. Так как база тонкая и легирована слабо, большинство электронов проходят через неё, не рекомбинируя с дырками, и попадают в n-коллектор. Ток коллектора создается электронами, ток базы — рекомбинацией части электронов с дырками и диффузией дырок из базы в эмиттер.
• Если бы мы сравнивали это с структурой p-n-p: Там дырки инжектируются из p-эмиттера в n-базу. Механизм аналогичен, просто меняются знаки зарядов.

Ключевой момент: работа генератора определяется не столько типом носителей (электроны или дырки), сколько геометрическими размерами базы, уровнем легирования и напряжениями смещения переходов. Если структура является корректно изготовленным транзистором n-p-n (где в базе носители — дырки, а в эмиттере и коллекторе — электроны), то он будет работать так же эффективно, как и транзистор p-n-p (где в базе носители — электроны, а в эмиттере и коллекторе — дырки), при условии идентичных параметров (подвижности носителей близки, хотя подвижность электронов выше, что может давать небольшое преимущество n-p-n транзисторам по быстродействию).

Однако, если интерпретировать задачу как сравнение двух разных физических ситуаций внутри одной схемы, где ранее предполагалась однородность носителей (что невозможно в реальном биполярном транзисторе без изменения структуры), то нужно отметить следующее: в реальном биполярном транзисторе носители в базе всегда противоположны носителям в эмиттере и коллекторе . Например, в n-p-n базе — дырки, в эмиттере/коллекторе — электроны. В p-n-p базе — электроны, в эмиттере/коллекторе — дырки.

Следовательно, описание «носителями тока в базе будут дырки, а в коллекторе и эмиттере — электроны» — это и есть описание стандартного n-p-n транзистора. Если до этого в задаче подразумевался другой тип (например, p-n-p), то замена типа транзистора на n-p-n не приводит к качественному изменению принципа работы генератора. Генератор будет работать, так как оба типа транзисторов обеспечивают усиление сигнала и могут быть включены в схему обратной связи для возбуждения автоколебаний.

Единственное возможное отличие связано с параметрами: подвижность электронов (ν_n) примерно в 2-3 раза выше подвижности дырок (ν_p). Поэтому n-p-n транзисторы (описанные в условии) часто имеют более высокие частотные характеристики и меньший шум, чем p-n-p транзисторы. Но сам факт наличия колебаний и принцип работы генератора сохраняются.

Проверка и вывод:

Условие описывает структуру n-p-n транзистора. Принцип действия автоколебательного генератора на транзисторе не зависит от того, являются ли основными носителями электроны или дырки, пока обеспечивается коэффициент усиления β>1 и выполняется условие баланса фаз и амплитуд в цепи обратной связи. Замена типа транзистора (с p-n-p на n-p-n или наоборот) не нарушает работу генератора, если схема включения адаптирована под полярность напряжений питания. Если же схема остается неизменной, то для n-p-n транзистора требуется обратная полярность источника питания по сравнению с p-n-p. При правильном подключении питания работа генератора сохраняется.

Таким образом, качественно работа генератора не изменится (он продолжит генерировать колебания), если обеспечить соответствующую полярность питающих напряжений для новой структуры носителей заряда. Физический механизм усиления (инжекция неосновных носителей) работает одинаково для обоих типов.