ВЕЛИКОЛЕПНАЯ ЧЕТВЕРКА

Мы часто представляем себе атом как некую, разумеется, чрезвычайно маленькую, планетарную систему. В центре ее находится ядро – сравнительно тяжелый шар с положительными электрическими зарядами. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаются шарики‑электроны. Картина эта наглядна, ее легко себе представить, но, конечно же, такая планетарная модель весьма примитивна. Она, по‑видимому, не больше похожа на настоящий атом, чем вылепленная из пластилина фигурка на настоящего, живого человека.

Электроны – это вовсе не шарики, а скорее какие‑то во многом еще загадочные сгустки материи, которые иногда ведут себя как частицы, а иногда – как волны. Кроме того, движутся электроны совсем не по спокойным круговым или эллиптическим орбитам – они как бы размазаны по сферам, распределены в пространстве вокруг ядра в виде своего рода электронных оболочек. Ну, а само ядро – это непрерывно бурлящий котел, где происходят самые непонятные превращения материи и энергии, рождаются и умирают известные и неизвестные пока частицы. Да что там говорить! Планетарная модель – это примитивная игрушка, которую можно признать за атом, только находясь в крайне тяжелом положении. И именно в таком положении мы сейчас находимся.

Наш путь к транзистору проходит через многие области науки. В каждой из них, как в самостоятельной стране, есть свой язык, свои обычаи и законы, свои достопримечательности. И если мы хотим с минимальными потерями времени и сил прийти к своей конечной цели, то не должны, как это ни печально, подробно знакомиться с каждой встречной страной. Вот почему, отказавшись от знакомства с современными представлениями о строении атома, мы будем пользоваться его упрощенной планетарной моделью. Она нужна нам для того, чтобы показать, как атомы соединяются друг с другом.

Прежде всего отметим, что электронные орбиты располагаются не где угодно, а лишь на определенных расстояниях от ядра. И количество электронов на той или иной орбите тоже строго ограничено – таковы непоколебимые законы атомной архитектуры. На первой орбите‑ счет идет от ядра – может находиться не больше двух электронов. (Фактически следовало бы говорить о первом слое орбит, о двух очень близких орбитах. Но раз уж мы пошли на упрощения, то представим себе, что оба электрона вращаются по одному и тому же кругу.) На второй орбите не может быть больше восьми электронов, на третьей – не больше восемнадцати, и так далее.

Нас сейчас будет интересовать только последняя, внешняя орбита. Во‑первых, потому, что именно внешние электроны участвуют в соединении атомов. Во‑вторых, именно внешние электроны, сорвавшись со своих орбит, включаются в электрический ток. И, как вы увидите чуть дальше, именно события, происходящие на внешних орбитах некоторых атомов, используются в транзисторах при усилении слабых сигналов.

Число электронов на внешней орбите тоже ограничено: ни в одном атоме их не может быть больше восьми. Причем атом всегда стремится, чтобы его внешняя орбита была полностью заселена, чтобы число электронов на ней было доведено до максимума, то есть до восьми. Либо – пусть лучше будет так – чтобы этих электронов не было вообще. Вот почему, если у какого‑нибудь атома на внешней орбите мало электронов, то он стремится их отдать. А если электронов много и нужно лишь чуть‑чуть потрудиться, чтобы довести их количество до восьми, то атом стремится притянуть к себе чужой электрон, причем желательно вместе с его атомом.

Но зачем же, спросите вы, тащить к себе электроны вместе с атомами (это все равно, что принести домой пирожное вместе с прилавком магазина), если вокруг довольно часто бегают свободные, сорвавшиеся со своих орбит электроны?

А дело в том, что для атома нет смысла сажать к себе на орбиту свободный электрон. Во‑первых, он не сядет, а если даже сядет, то все равно долго не усидит. Ведь атом в целом электрически нейтральная система – общий отрицательный заряд его электронов уравновешивается суммарным положительным зарядом ядра. Поэтому электрические силы, несмотря на желание атома иметь заполненную внешнюю орбиту, вытолкнут попавший туда свободный электрон с его лишним отрицательным зарядом.

Другое дело, если пустующее место на внешней орбите займет электрон, вращающийся одновременно по своей собственной орбите в своем собственном атоме. В этом случае возникает некая объединенная орбита, охватывающая оба атома. И они будут прочно соединены этим теперь уже общим, бегающим по объединенной орбите электроном. Причем такое объединение не встретит противодействия электрических сил ни одного из атомов, потому что число электронов в каждом из них осталось без изменений и электрическое равновесие атомов не нарушилось.

ПРИМЕЧАНИЕ. Здесь, пожалуй, чаще, чем в других местах книги, рассказывая об атомах, электронах и других физических объектах, мы применяем такие, например, выражения, как «электрон стремится», «для атома нет смысла», «ядро не хочет», «заряды бегают». Разумеется, все, в том числе и автор, понимают, что ни о каком беге электронов или желаниях атомного ядра в действительности не может быть и речи. Автор позволяет себе столь свободное обращение с житейскими, бытовыми понятиями только лишь из боязни выпустить на эти страницы огромное количество слов и символов, которое необходимо для достаточно аккуратного, достаточно строгого изложения сути дела.

Итак, объединенные орбиты – это своего рода нити, сшивающие атомы между собой (рис. 9). И именно со способностью создавать разнообразные и устойчивые объединенные орбиты связано исключительное многообразие, например, углеродистых соединений. Дело в том, что на внешней орбите атома углерода – четыре электрона и четыре свободных места. А это является хорошей предпосылкой для прочного соединения атомов углерода друг с другом и с такими распространенными элементами, как водород и кислород. При этом возникают симметричные и, главное, устойчивые пространственные конструкции.

Рис. 9. Создавая объединенные орбиты, внешние электроны связывают атомы друг с другом.

Один из таких архитектурных шедевров – кристаллическая решетка алмаза, в которой каждый атом углерода отдает свои четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них – по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который отдается, и тот, который берется, становятся общими для того, кто дает, и для того, кто берет. Поэтому на внешней орбите атома оказывается восемь электронов (полностью заселенная орбита), и все они прочно связывают этот атом с его четырьмя соседями. Так и возникает красивая и исключительно прочная кристаллическая решетка алмаза – решетка алмазного типа.

Кроме углерода, есть еще несколько элементов с четырьмя электронами, а значит, и с четырьмя вакантными местами на внешней орбите. Два таких элемента – германий и кремний – интересуют нас больше всего. Оба они образуют кристаллическую решетку алмазного типа, оба по своим электрическим свойствам являются полупроводниками. Как это ни странно, но, продвинувшись уже довольно далеко на пути к полупроводниковому триоду, мы только сейчас получили возможность выяснить, что же такое полупроводник.

Уже говорилось, что электрическое сопротивление того или иного элемента электрической цепи, а значит, и вещества, из которого этот элемент сделан, зависит от количества свободных электрических зарядов в нем. Еще очень давно все вещества по их электрическим свойствам разделили на две группы: проводники (металлы, целый ряд растворов, газы в определенном состоянии) и изоляторы, или диэлектрики (стекло, резина, дерево и масса других веществ). Такое деление, разумеется, не отражает многих сложных процессов, с которыми связано появление свободных электрических зарядов. И все же, рассматривая атом в упрощенном виде, попытаемся выяснить, чем проводники отличаются от изоляторов.

Главная особенность всякого твердого проводника состоит в том, что у огромного числа его атомов электроны убежали (см. примечание на стр. 26) с внешних орбит и гуляют в межатомном пространстве. Обычно электроны легче всего срываются с внешней орбиты в том случае, когда их на этой орбите мало. У атомов таких прекрасных проводников, как медь и серебро, на внешней орбите всего по одному электрону, у цинка и ртути – по два, у атомов алюминия – три электрона.

Атомы изолятора, напротив, очень устойчивы. Электроны в них прочно связаны с ядром и своих орбит не покидают. Конечно, нет правил без исключения. Бывает, что и в изоляторе какой‑нибудь электрон нарушит дисциплину и сорвется со своей орбиты. В разных изоляторах среднее число таких нарушений неодинаково – изоляторы бывают хорошими и плохими, а идеальных изоляторов вообще нет.

Выскакивание электронов из атома – это результат его тепловых колебаний. Чем выше температура, тем энергичнее колеблется атом на своем месте в кристаллической решетке, тем больше вероятность выскакивания его электронов с внешней орбиты. Лишь при температуре абсолютного нуля (–273,2 °C) тепловые колебания атомов полностью прекращаются, и в любом изоляторе, даже в самом плохом, вообще не оказывается свободных зарядов.

Для того чтобы не пользоваться такими расплывчатыми понятиями, как «хороший» и «плохой», можно организовать точный учет электронов, которые, срываясь со своих орбит, блуждают в межатомном пространстве изолятора.

Вырежем из проверяемого изоляционного материала кубик со стороной 1 см, подведем к нему напряжение в 1 в и будем измерять ток в созданной нами электрической цепи (рис. 10).

Рис. 10. Проводники, полупроводники и изоляторы в основном различаются количеством и подвижностью свободных электрических зарядов.

Если кубик сделан из идеального изолятора, в котором ни один электрон не покидает своей орбиты, то свободных зарядов в кубике не будет, а значит, не будет и тока в цепи. В цепи, куда включен реальный изолятор, ток обязательно появится, и чем хуже изоляционные свойства кубика, чем больше в нем электронов‑нарушителей, тем больше этот ток.

Для начала включим в нашу испытательную цепь кубик из чистого каучука. Прибор покажет ток 1 пикоампер, то есть 0,000 000 000001 ампера. Легко подсчитать (нужно лишь вспомнить, что 1 а = 1 к/1 сек и 1 к = 6,3·10¹⁸ зарядов электрона), что при таком токе через поперечное сечение каучукового кубика ежесекундно проходит около 6 300 000 свободных электронов. Пусть вас не пугает эта цифра – она не так уж велика. Если бы мы испытывали кубик из проводника, например, из серебра, то ток в цепи достиг бы 1000 000 ампер, и каждую секунду через поперечное сечение серебряного кубика проходило бы 6 300 000 000 000 000 000 000 000 свободных электронов. В сравнении с этой астрономической цифрой число свободных электронов в каучуковом кубике, конечно, очень мало, и его смело можно считать изолятором.

Согласитесь, что не очень удобно каждый раз подсчитывать число свободных электронов, двигающихся в кубике проверяемого материала. Во всяком случае, это не принято – вместо того чтобы считать заряды, обычно вычисляют электрическое сопротивление кубика. Сделать это довольно просто. Мы знаем напряжение U , подведенное к кубику (1 в), знаем ток I , который по нему проходит, а значит, можем по одной из формул закона Ома (рис. 10) подсчитать и сопротивление R . Полученную величину называют удельным сопротивлением, подобно тому как удельным весом называют вес одного кубического сантиметра вещества. Величина удельного сопротивления – она измеряется в омах на сантиметр (ом·см) – показывает, какое сопротивление имеет сделанный из того или иного материала кубик с ребром в 1 см.

Удельное сопротивление четко характеризует изоляционные свойства материала, дает представление о наличии в нем свободных зарядов и, в частности, о «свободолюбии» (см. примечание на стр. 26) входящих в атомы электронов. Чем меньше свободных зарядов в том или ином веществе, тем хуже оно проводит электрический ток, или, если говорить об этом другими словами, тем больше удельное сопротивление вещества.

В арсенале природы имеются вещества с самым различным значением удельного сопротивления – от миллиарда миллиардов ом до миллиардных долей ома.

Еще недавно их делили на две группы, и условная граница между ними проходила где‑то в районе удельного сопротивления 0,01 –100 ом·см. Все вещества с большим сопротивлением относили к изоляторам, а с меньшим – к проводникам.

В дальнейшем оказалось удобным выделить в имеющемся «наборе» некоторую промежуточную группу веществ с удельным сопротивлением от 0,0001 ом‑см до 10 000 000 ом·см. Эти вещества и получили название полупроводников, хотя с таким же успехом их можно было назвать полуизоляторами.

Удельное сопротивление германия составляет примерно 50 ом·см, кремния – 1000 000 ом·см. Обе эти цифры относятся лишь к химически чистым веществам: даже небольшие доли примесей могут менять удельное сопротивление германия и кремния во много тысяч раз. Чтобы понять, как происходит такое резкое изменение электрических свойств полупроводника, нам придется несколько дополнить свои представления о возникновении и передвижении свободных электрических зарядов. Для этого мы сейчас мысленно нарисуем две очень упрощенные картинки, которые хотя и несколько искажают действительность, но зато позволяют в простом виде представить себе очень сложный процесс.

Для начала попробуем представить себе электрический ток в полупроводнике как упорядоченное движение одних только свободных электронов. Выглядит оно примерно так.

Под действием электрического напряжения электроны сравнительно медленно движутся в межатомном пространстве, не переставая при этом совершать свои (см. примечание на стр. 26) беспорядочные рывки в разные стороны. Сами же атомы неподвижны, так как они прочно связаны друг с другом в кристаллической решетке. Дав свободу некоторым своим электронам, пустив их путешествовать в межатомное пространство, атомы утратили тем самым былое электрическое равновесие и превратились в положительные ионы.

Кроме длинных, безостановочных путешествий, свободные электроны, создающие ток, могут совершать и короткие перебежки. Выскочит такой слабенький (с небольшим запасом энергии) электрон из своего атома и тут же попадет на пустующее место в соседнем атоме. В результате свой собственный атом превратится в положительный ион, а положительный ион, давший приют электрону‑беглецу, станет нейтральным атомом.

Представьте себе, что электрон перебежал из атома в атом очень быстро и вы даже не успели заметить, когда все это произошло. Как в этом случае воспримете вы происшедшее событие? Вы увидите, как в твердом полупроводнике сдвинулся с места положительный ион (рис. 11).

Рис. 11. Переход электрона из одного атома в другой можно рассматривать как движение положительного заряда в противоположную сторону – движение дырки.

Положительный заряд, двигающийся в полупроводнике в результате коротких перебежек электронов, называют дыркой. Это весьма образное название. В результате коротких перебежек электронов действительно двигаются пустующие на внешней орбите места, двигаются дырки в электронных оболочках атомов. И несмотря на то что первопричиной всего, что происходит, является движение электронов, несмотря на то что при этом сами атомы в твердом теле своих мест не меняют (движение положительных и отрицательных ионов наблюдается лишь в жидких и газообразных веществах, где атомы и молекулы слабо связаны друг с другом и сравнительно легко передвигаются с места на место), мы все же будем считать, что в твердом полупроводнике имеются свободные положительные заряды – подвижные дырки.

Атомы‑то ведь все одинаковые – не поймешь, кто кем был и кто кем стал, не поймешь, у кого чей электрон вращается на орбите. (Еще раз просим прочесть примечание на стр. 26, хотя читатель уже, по‑видимому, сам знает, в каких случаях нужно обращаться к этому примечанию, и будет это делать без лишних напоминаний.) И поэтому, не пытаясь разобраться в поведении отдельных электронов‑перебежчиков, мы будем оценивать лишь конечный результат их деятельности. А таким результатом как раз и является движение положительных зарядов, движение дырок.

Совершенно ясно, что под действием приложенного напряжения в полупроводнике будут упорядоченно двигаться не только электроны‑путешественники, но и электроны‑перебежчики. Бросаясь из стороны в сторону, они все чаще будут сдвигаться в сторону «плюса» батареи. А это значит, что в хаотическом движении дырок появится некоторая упорядоченность – они медленно и планомерно будут смещаться в сторону «минуса».

Здесь нельзя не вспомнить хорошо известную аналогию. В театре во время спектакля освободилось место в первом ряду. На него сейчас же пересел зритель со второго ряда. На место, освободившееся во втором ряду, пересел зритель из третьего ряда. На его место пересел кто‑то из четвертого ряда, и так продолжалось до тех пор, пока свободное место не оказалось в самом последнем ряду. С места на место перебегали люди (электроны‑перебежчики), а в результате по залу от первого ряда до последнего переместилось свободное место (дырка).

Теперь, чтобы окончательно не запутаться, давайте вообще забудем о существовании наших электронов‑перебежчиков и будем считать, что в полупроводнике электрический ток представляет собой движение двух сортов зарядов – свободных электронов и дырок, что полупроводник обладает электронной и «дырочной» проводимостью.

Подобный прием – исключение из игры электронов‑перебежчиков– можно считать вполне оправданным: нельзя же всякий раз начинать свои рассуждения «от печки». Изучая автомобиль, например, вы только один раз подробно познакомитесь с двигателем. А потом, разбираясь в устройстве коробки скоростей или в передаче вращения от двигателя к задним колесам, вы уже не будете начинать с того, как в карбюраторе образуется горючая смесь.

Вас ни в какой мере не должно смущать, что участвующие в электрическом токе свободные электроны и дырки движутся в разные стороны. В твердом теле настолько просторно, что эти движения друг другу не мешают.

При этом каждый из движущихся зарядов, независимо от своих коллег (вы не забываете о примечании на стр. 26?), выполняет свою работу. Поэтому, определяя ток в цепи или мощность на каком‑либо ее участке, необходимо учитывать движение и отрицательных, и положительных зарядов. Так, например, если через поперечное сечение проводника (или полупроводника) в каком‑либо определенном направлении за одну секунду прошел кулон электронов, а в другую сторону одновременно прошел кулон дырок, то ток в цепи равен 2 а.

В чистом, беспримесном полупроводнике число свободных электронов и число дырок одинаково. Однако для создания транзисторов нужны полупроводниковые материалы с разными типами проводимости – только с электронной или только с дырочной. Это значит, что у одних материалов число свободных электронов должно во много раз превышать число дырок, чтобы в этих полупроводниках возникал в основном электронный ток. А у других материалов, наоборот, дырок должно быть намного больше, чем свободных электронов, и ток в них должен создаваться в основном только дырками. При этом общий заряд куска германия или кремния должен быть равен нулю – в целом в нем не должно быть никаких лишних зарядов.

Вот так задача! Это уже почти то же самое, что залезть в шар и стать там в угол. Как можно, например, добавить в полупроводник свободные положительные заряды, не меняя общего числа зарядов в этом полупроводнике? Каким образом, не нарушая электрического равновесия полупроводника, можно получить в нем избыток тех или иных свободных зарядов? Это можно сделать, добавляя в чистый полупроводник определенные примеси.

Дело в том, что в кристаллах углеродного семейства – в германии и кремнии – действует неписаный закон: «Структура важнее всего». Это значит, что если ради сохранения своей прекрасной алмазоподобной кристаллической решетки атомы должны, принести какие‑либо жертвы, то эти жертвы будут принесены: «Структура важнее всего».

Вот что произойдет, например, если в чистый германий во время его плавки добавить атом мышьяка. Такой большой предмет, как атом мышьяка, не может находиться где‑то в межатомном пространстве, и поэтому при затвердевании расплава он займет место в кристаллической решетке наравне с атомами самого германия. Но у мышьяка на внешней орбите не четыре электрона, а пять. И этот пятый электрон никак не сможет найти себе места в четкой системе межатомных связей – ведь каждый атом, который входит в решетку алмазного типа, может отдать соседям только четыре электрона. И, подчиняясь закону «Структура важнее всего», пятый электрон уйдет с орбиты в дальние странствия, а сам атом мышьяка превратится в положительный ион (рис. 12).

Рис. 12. При введении донорной примеси в полупроводниковом кристалле появляются свободные электроны и неподвижные положительные ионы.

Обратите внимание – мы не называем этот ион дыркой. Вцепившись своими четырьмя электронами в соседей, атом мышьяка не сможет ни взять электрон со стороны, ни отдать его. Этот положительный ион – атом мышьяка – будет неподвижно стоять на месте, не участвуя в создании электрического тока. Вот почему, добавляя в германий или кремний атомы с пятью электронами на внешней орбите, мы создаем в этих полупроводниках дополнительную электронную проводимость, не увеличивая дырочной проводимости и не нарушая общего электрического равновесия кристалла.

Примеси, которые увеличивают электронную проводимость полупроводника, называются донорными примесями. Слово «донор» означает «отдающий» и говорит о том, что примесь как бы добавляет в полупроводник свободные электроны.

Обратный результат можно получить, если добавить в чистый германий (или кремний) атомы с тремя электронами на внешней орбите; например, атомы лития. Для того чтобы не показаться чужаком и не испортить структуры – «Структура важнее всего!» – такой атом поместит к себе на орбиту чужой электрон, естественно, украденный у нейтрального атома германия. А поскольку этот чужой, четвертый электрон будет для лития лишним, то атом лития превратится в неподвижный отрицательный ион. Сам же атом германия, отдавший электрон пришельцу, станет дыркой – этот атом всегда с радостью примет на свободное место в своей внешней орбите любой электрон‑перебежчик.

Вывод прост: добавляя в германий или кремний атомы с тремя электронами на внешней орбите, мы создаем в этих полупроводниках дополнительную дырочную проводимость, не увеличивая электронной проводимости. И опять‑таки не нарушая общего электрического равновесия (рис. 13).

Рис. 13. При введении акцепторной примеси в полупроводниковом кристалле появляются свободные положительные заряды (дырки) и неподвижные отрицательные ионы.

Примеси, которые увеличивают дырочную проводимость полупроводника, называются акцепторными примесями. Слово «акцептор» означает «отбирающий» и говорит о том, что примесь как бы отбирает у полупроводника свободные электроны и основным типом свободных зарядов становятся дырки.

После долгих блужданий по трудным дорогам физики и химии мы получили наконец те самые бесценные материалы, которые нужны для изготовления нашего управляющего прибора, нашего скульптора. Именно эти материалы – полупроводники с электронной или дырочной проводимостью – позволят нам искусственно создать процесс для управления мощными потоками энергии с помощью слабого электрического сигнала. Прибор, в котором будет осуществляться такое управление, как вы уже, конечно, догадались, и есть полупроводниковый триод – транзистор. Но, получив наконец возможность непосредственно познакомиться с главным героем нашей книги – с полупроводниковым триодом, мы в интересах дела ненадолго отложим это знакомство и сначала выясним, как устроен и как работает полупроводниковый диод.

Глава II

ОТ ДИОДА ДО ТРИОДА

Не подумайте, пожалуйста, что знакомство с полупроводниковым диодом – это отклонение от главного пути. Диод – своего рода составная часть транзистора, и транзистор можно рассматривать как два объединенных в одно целое полупроводниковых диода. Вот почему знакомиться с диодом мы будем достаточно подробно, считая, что при этом мы одновременно знакомимся и с транзистором. Кроме того, диод как самостоятельный элемент весьма часто встречается в электронной аппаратуре, в том числе и в схемах, которые будут описаны в этой книге. Познакомившись с принципом работы и устройством диода, мы рассмотрим несколько практических схем с его участием и тем самым положим начало той части нашего путешествия, для которой нужен уже не только карандаш, но и паяльник.

МАНЕВРЫ НА ГРАНИЦЕ

Имеющихся у нас знаний вполне достаточно, чтобы построить некий условный полупроводниковый диод (рис. 14).

Рис. 14. Полупроводниковый диод – это прибор, в котором созданы две зоны с разным типом примесной проводимости: зонар и n .

Возьмем кусок чистого германия (с равным успехом можно взять и кремний, но мы для определенности ограничимся пока одним из этих полупроводников) и с одной стороны введем в него донорную примесь, с другой – акцепторную. Это значит, что в половине кристалла будет преобладать электронная проводимость, в другой – дырочная. По количеству зон с разной проводимостью построенный нами прибор как раз и получил свое название «диод»: приставка «ди» означает «два». Название это появилось намного раньше самого полупроводникового диода и относилось к некоторым другим приборам с двумя электродами и двумя выводами от них.

Влияние примесей на электрические свойства полупроводниковых материалов огромно. Так, например, если в германий добавить по весу лишь одну миллионную часть мышьяка, то число свободных электронов в германии увеличится в тысячи раз! Подобным же образом миллионные весовые доли акцепторной примеси – например, лития – в тысячи раз повышают дырочную проводимость полупроводника.

Объясняется столь сильное влияние примесей довольно просто. Дело в том, что своих собственных электронов и дырок в чистом германии немного. Далеко не каждый его атом выпускает на свободу свой электрон – в противном случае этих электронов было бы очень много и вместо полупроводника мы имели бы обычный проводник. В среднем при комнатной температуре на каждый миллиард атомов германия приходится лишь один свободный электрон.

В то же время каждый атом донорной примеси, занявший место в кристаллической решетке, обязательно один из пяти своих внешних электронов выбрасывает в межатомное пространство. Ведь для связи с соседями нужны лишь четыре электрона: как известно, «структура прежде всего».

Теперь посчитаем. Если вес примеси составляет миллионную часть веса германия (мы считаем вес атомов германия и примеси одинаковым и миримся с ошибкой на несколько процентов), то на каждый миллиард атомов германия приходится тысяча атомов примеси, потому что миллионная часть миллиарда и есть тысяча. А это значит, что на каждый миллиард атомов германия теперь приходится один собственный свободный электрон и тысяча свободных электронов, принесенных примесью.

Отсюда следует очень важный вывод: поскольку число собственных свободных электронов равно числу собственных дырок, то благодаря введению примеси электронная проводимость германия окажется примерно в тысячу раз больше дырочной. В таких случаях говорят, что в полупроводнике имеются основные (это те, которых много) и неосновные (те, которых мало) носители электрического заряда. В нашем примере основные носители заряда – это, конечно, электроны, а неосновные– дырки. Если же ввести в германий акцепторную примесь, то свободных электронов окажется несравненно меньше, чем дырок, и именно дырки будут основными носителями электрического заряда, то есть основными свободными зарядами, способными создавать ток (рис. 15).

Рис. 15. После введения примеси в полупроводнике оказывается два вида зарядов – примесные (основные) и очень небольшое количество собственных (неосновных) зарядов.

С неосновными носителями, неосновными свободными зарядами мы сейчас поступим так же, как в свое время поступили с электронами‑перебежчиками. Для упрощения общей картины мы временно вычеркнем их из своего списка.

Теперь наш полупроводниковый диод выглядит так. В одной его половине имеются только свободные электроны. Эта часть диода называется зоной – n , от слова negativus , то есть отрицательный. В другой части диода есть только носители положительного заряда – дырки. Это зона р – ее название происходит от слова positivus , то есть положительный. Довольно часто буквы n и р вводят в характеристику самого полупроводникового материала и говорят: «германий n ‑типа», «германий p ‑типа» или «кремний n ‑типа», «кремний p ‑типа». Эти названия указывают, какая примесь – донорная или акцепторная – была введена в кристалл и, таким образом, какая проводимость – электронная или дырочная – является основной в данном кристалле.

В любом полупроводниковом приборе, где есть зоны с разным типом проводимости, граница между этими зонами носит название «pn ‑переход» (по‑русски это звучит так: «пэ‑эн‑переход»). Такое же название, разумеется, носит пограничная область между зоной р и зоной n в нашем полупроводниковом диоде.

Мы с вами построили полупроводниковый диод. Посмотрим теперь, что он умеет делать.

Включим диод в электрическую цепь, для начала в цепь постоянного тока. Обратите внимание, у нас есть две возможности включения: можно подключить диод зоной р к «плюсу» батареи и зоной n – к «минусу»; а можно наоборот: к «плюсу» подключить зону n и к «минусу» – зону р .

Для лампочки карманного фонаря, например, или для электроплитки совершенно безразлично, в какую сторону через них пойдет ток, был бы лишь ток. Эти приборы одинаково хорошо светят и греют при любом направлении тока. А вот поведение полупроводникового диода прежде всего зависит от направления тока, от того, какая зона диода подключена к «плюсу», а какая к «минусу» батареи. Поэтому мы рассмотрим оба варианта включения.

Начнем с первого.

Итак, «плюс» батареи подключен к зоне р нашего диода, а «минус» – к зоне n . Избыточные электроны с «минуса» батареи хлынули в зону n , и ее собственные электроны под этим могучим натиском двинулись к границе между зонами, двинулись к рn ‑переходу. С другой стороны, к рn ‑переходу подошли дырки зоны р , испытывающие электрическое давление «плюса» батареи. (Вы не забываете в подобные минуты обращаться к примечанию на стр. 26?)

А что же происходит на самой границе? Встречаясь, электроны и дырки нейтрализуют друг друга – электроны‑путешественники зоны n занимают свободные места на внешних орбитах атомов зоны р .

Тот, кто хочет более детально разобраться в происходящих событиях, должен будет вспомнить о вычеркнутом нами в свое время электроне‑перебежчике. В результате все дело сведется к перемещению одних только электронов, и это в действительности имеет место: сами атомы в твердом теле не двигаются. Но для простоты нам все же удобнее рассматривать движение положительных зарядов – дырок, что, как мы уже не раз подчеркивали, совершенно не противоречит истине. При желании можно еще раз привлечь на помощь аналогию со зрительным залом, дополнив его запасным выходом, куда убегают из первого ряда разочарованные зрители, фойе, где толпятся ожидающие свободного места безбилетники, и еще загадочной комнатой (в нашей аналогии она отображает батарею), в которой сбежавшим со спектакля зрителям сообщают кое‑что такое, что заставляет их вновь устремиться в зал (рис. 16).

Рис. 16 . Прямое включение диода; электроны и дырки двигаются к границе рn ‑перехода, в цепи протекает довольно большой прямой ток – ток основных зарядов.

При выбранном нами первом варианте включения диода в обеих его зонах происходит непрерывное упорядоченное движение зарядов к границе, а значит, во всей цепи идет ток.

Можно сказать об этом и по‑другому: при выбранном направлении включения диода он обладает сравнительно небольшим сопротивлением.

А теперь давайте повернем диод (или батарею) на сто восемьдесят градусов и подключим зону р к «минусу» батареи, а зону n – к «плюсу» (рис. 17).

Рис. 17. Обратное включение диода; электроны и дырки оттягиваются от границы pn ‑перехода, в цепи протекает очень небольшой обратный ток – ток неосновных зарядов.

При таком включении электроны отходят от границы, уходят в глубь зоны n под влиянием «плюса» батареи (ничего не поделаешь – разноименные заряды притягиваются, и «плюс» тянет к себе отрицательно заряженные электроны), и одновременно под влиянием «минуса» от границы отходят дырки в глубь зоны р . В итоге из области pn ‑перехода почти полностью исчезают свободные заряды, сопротивление этой области резко возрастает, и она практически становится изолятором. А появление изолятора в электрической цепи приводит к прекращению тока. Правда, ток полностью не прекращается (идеальных изоляторов нет!), но он становится очень малым, и мы говорим, что при втором варианте включения полупроводниковый диод тока не проводит.

Теперь нам остается лишь ввести общепринятые наименования– первое направление включения диода назвать прямым, а второе – обратным – и сделать окончательный вывод: полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, он пропускает ток только в одном направлении. Или иначе: сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении мало, в обратном – велико.

За свое главное качество – одностороннюю проводимость – диод получил звание электрического вентиля. По своему поведению в электрической цепи диод действительно похож на вентиль, на устройство, которое пропускает воздух из насоса, например в велосипедную камеру, и не выпускает его обратно.

На этом, пожалуй, можно закончить общее знакомство с полупроводниковым диодом и поговорить конкретно о его устройстве, характеристиках, параметрах и схемах, в которых диод работает.

ВСЕ О ДИОДЕ

По своему устройству полупроводниковые диоды можно разделить на две большие группы – на плоскостные диоды и точечные (рис. 14). Главные особенности этих групп отражены в самих их названиях. В плоскостном диоде граница между зонами р и n представляет собой довольно большую плоскость. Площадь этой пограничной плоскости в зависимости от типа диода может составлять от 0,1 до 100 квадратных миллиметров.

Один из способов изготовления кристалла с pn ‑переходом для плоскостного диода упрощенно выглядит так. Вытягивая полупроводниковый кристалл, например германий, из расплава, в него периодически добавляют то акцепторную, то донорную примесь (рис. 18).

Рис. 18. Один из способов изготовления pn ‑перехода основан на введении примесей в кристалл по мере его вытягивания из расплава.

При этом вытянутый кристаллический стержень получается как бы полосатым – в нем равномерно чередуются зоны р и зоны n . В дальнейшем такой кристалл точнейшим образом разрезают алмазными пилами и получают из него огромное количество кристалликов, в каждом из которых имеется лишь один pn ‑переход. Такой кристаллик как раз и служит основой для изготовления одного полупроводникового диода.

Выводы диода подпаяны непосредственно к кристаллу, а сам этот кристалл помещен в герметический корпус. Корпус диода металлический, и, как правило, он же и является выводом зоны n (рис. 14). Вывод зоны р выходит из металлического корпуса сквозь стеклянный изолятор.

В точечном диоде один из выводов также припаивают непосредственно к кристаллу. Другой вывод представляет собой тончайшую стальную проволочку, которая упирается в кристалл. При изготовлении диода конец проволочки покрывают металлом‑донором, или акцептором, например алюминием или индием. В результате в том месте кристалла, куда упирается проволочка, образуется миниатюрный точечный рn ‑переход.

Плоскостные и точечные диоды – это не просто разные конструкции, возникшие по прихоти двух изобретателей. Это разные приборы с разными характеристиками и параметрами, по‑разному ведущие себя во многих электрических цепях.

О поведении диода в электрической цепи многое может рассказать его вольтамперная характеристика (рис. 19).

Рис. 19. Вольтамперная характеристика диода как бы состоит из двух характеристик – для прямого и обратного включения диода, для прямого и обратного тока.

На этом графике видно, как меняется ток I через диод при изменении приложенного к нему напряжения (отсюда и название характеристики, оно как бы говорит: «изменение вольтов приводит к изменению амперов»).

После всего, что было рассказано, вольтамперная характеристика диода, по‑видимому, ясна вам с первого взгляда. Прежде всего мы можем разделить всю эту характеристику на две части, на две области – положительных и отрицательных напряжений.

Область положительных напряжений (сперва от нулевого напряжения, то есть от U = 0) соответствует прямому включению диода. Здесь ток – его называют прямым током – сравнительно велик и резко возрастает при увеличении U . Это значит, что само понятие «положительное напряжение» в данном случае нужно понимать только так: диод включен в прямом направлении, «плюс» батареи подключен к зоне р .

Слева от U = 0, то есть в области отрицательных напряжений, диод включен в обратном направлении: к зоне р подключен «минус» батареи. Ток в отрицательной области, конечно, очень мал и при увеличении напряжения (разумеется, отрицательного!) растет незначительно. Вообще же само появление обратного тока и его рост связаны с существованием неосновных носителей, которые умеют двигаться так же, как и основные, но только в противоположную сторону и при обратном напряжении (рис. 16 и 17).

Внимательно присмотревшись к вольтамперной характеристике, можно обнаружить на ней несколько непонятных участков. Почему, например, при очень маленьких положительных напряжениях ток почти не растет и лишь постепенно набирает силу? Почему при малых отрицательных напряжениях ток возрастает довольно быстро и лишь потом рост его прекращается? Почему, наконец, ток бурно возрастает после того, как напряжение превысит величину U_{обр‑доп} ?

Резкое увеличение тока при высоких обратных напряжениях объясняется просто: разрушением pn ‑перехода. Разрушение происходит из‑за слишком большой мощности, которая выделяется на pn ‑переходе и превращается в тепло. Полупроводниковые материалы перегреваются, резко возрастает их собственная проводимость, и pn‑ переход вообще исчезает. Происходит так называемый тепловой пробой, и диод становится обычным резистором.

При обратном включении диода чрезмерная, разрушающая pn ‑переход мощность получается при весьма больших напряжениях. И вот почему: обратный ток очень мал, а мощность, если вы не забыли, – это произведение напряжения на ток.

Обратите внимание, что при обратном включении диода тепловой пробой наступает не сразу. Увеличивая напряжение, мы сначала попадаем в область электрического пробоя. В этой области обратный ток резко возрастает, а значит, обратное сопротивление диода падает. Однако, если опять уменьшить напряжение, уменьшится и ток. Иными словами, электрический пробой, возникновение которого связано с тонкими молекулярными механизмами, процесс обратимый. Он резко, лавинообразно увеличивает обратный ток, но стоит уменьшить напряжение, диод возвращается в исходный режим и вновь становится электрическим вентилем.

В то же время тепловой пробой выводит полупроводниковый прибор из строя навсегда. И если когда‑нибудь к вам в руки попадет диод, который потерял способность быть вентилем, потому что у него обратное сопротивление такое же, как и прямое, то знайте: диод побывал в области теплового пробоя.

Для того чтобы не погубить полупроводниковый диод (а часто вместе с ним могут погибнуть и другие элементы схемы, например, силовой трансформатор), чтобы не довести диод до теплового пробоя, не нужно превышать некоторую предельно допустимую для данного типа диодов мощность. Об этом как раз и говорят основные параметры диодов, приведенные в таблицах 1–5. Правда, в этих таблицах самой мощности вы не найдете, вместо нее указан средний прямой ток I_вып , который можно пропустить через диод (подчеркиваем – это именно средний прямой ток; на короткий срок эту величину иногда можно превысить), и предельное обратное напряжение U_{обр‑доп} .

_{Обратный ток – 300 мка (при Uобр‑доп); прямое напряжение 0,3–0,5 в (при Iвып).}

¹ В наших таблицах ток Iпр‑ср. обозначенIвып, как и в большинстве официальных справочников.

_{Обратный ток 30–50 мка (при Uобр‑доп), прямое напряжение 0,5–1 в (при Iвып).}

_{Обратный ток 3 ма (при Uобр‑доп); прямое напряжение (при Iвып) у германиевых диодов 0,2–0,5 в, у кремниевых диодов 1–1,5 в.}

_{Внимание! Допустимые токи указаны в расчете на применение радиаторов. Если через диод проходит полный прямой ток (Iвып), то при использовании алюминиевого радиатора толщиной 3 мм его диаметр должен быть для диодов Д303 не менее 60 мм, для Д304 – 80 мм и для Д305 – 150 мм. Кремниевые диоды рассчитаны на радиаторы площадью 50 см}² при полном токе и 25 см² при половинном токе (если температура окружающей среды 25 °C).

_{Примечание. Если в обозначении кремниевого диода после цифры стоит буква Б (например, Д242Б), то допустимый ток Iвыпне более 5 а. Буква А в названии (например, Д242А) означает, что диод сохраняет свои параметры до температуры +130 °C; во всех остальных случаях допустимый прямой ток Iвыппри температуре +130 °C вдвое меньше нормального, то есть 5 а (для диодов с обозначением Б ток не более 2 а). Буква П (например, Д242П) в названии диода отмечает лишь некоторые его технологические особенности и при выборе диода на нее можно не обращать внимания.}

_{Обратный ток (при Uобр‑доп) у германиевых диодов 250 мка, у кремниевых – 30 мка; проходная емкость у германиевых диодов 1–2 пф, у кремниевых – 0,5 пф.}

То, что вместо максимально допустимой мощности указаны именно эти параметры, объясняется довольно просто.

Мощность, выделяемая на диоде при его прямом включении, равна произведению прямого тока на приложенное к диоду прямое напряжение. Но ведь ток и напряжение взаимно связаны. Например, в диоде Д7Ж прямой ток 0,3 а будет при прямом напряжении 0,5 в, а мощность в этом случае составит 0,15 вт (P = U ·I ). Именно эта мощность для данного типа диода является предельно допустимой, и превышать ее нельзя. Но вместо того чтобы говорить «не превышайте мощность 0,15 вт», мы можем сказать: «не превышайте ток 0,3 а». Ведь напряжение при этом токе для данного типа диодов почти всегда одинаково, а значит, ограничив ток, мы ограничиваем и мощность. Поскольку при включении диода в прямом направлении особенно важно знать, какой он может пропустить прямой ток, то именно эта величина входит в число основных параметров диода и включена в нашу таблицу рекомендованных режимов.

Рассуждая аналогичным образом, можно доказать, что, вместо того чтобы ограничивать мощность при обратном включении диода, достаточно ограничить его обратный ток или обратное напряжение. А поскольку при включении диода в какую‑либо схему нам всегда легче определить, какое к нему будет приложено обратное напряжение, а не какой через него пойдет обратный ток, то именно поэтому допустимое обратное напряжение U_{обр‑доп} входит в число основных параметров диода.

Вывод, который нужно сделать в результате всех этих пространных рассуждений, достаточно краток: не допускайте превышения прямого тока I_вып и обратного напряжения U_{обр‑доп} .

Обогащенные этими новыми знаниями, мы уже можем критически взглянуть на таблицы 1–5. Первое, что бросается в глаза, – это довольно большое количество разных диодов. У некоторых прямой ток побольше, у других поменьше, некоторые диоды терпят обратное напряжение в сотни вольт, для других смертельным является напряжение в два‑три десятка вольт. Видно также, что у точечных диодов допустимые токи и напряжения значительно меньше, чем у плоскостных.

Здесь вполне уместно задать вопрос: зачем вообще нужны точечные диоды, если любой из них по предельным параметрам уступает самому слабенькому плоскостному диоду? А дело в том, что плоскостные диоды проигрывают точечным по одному весьма важному параметру, который хотя и не входит в нашу таблицу, но о котором следует помнить. Этот параметр – собственная емкость диода (рис. 20).

Рис. 20. Сравнительно большая емкость плоскостного диода не позволяет использовать его в высокочастотных цепях.

Полупроводниковый диод очень напоминает плоский конденсатор. Его обкладки – зона р и зона n , а диэлектрик – область рn ‑перехода, лишенная свободных, зарядов. Известно, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его обкладок. Именно на этом, кстати, основано изменение емкости в переменном конденсаторе. Для того чтобы повысить допустимую величину прямого тока у плоскостных диодов, увеличивают площадь соприкосновения зоны р с зоной n , то есть, иными словами, увеличивают площадь рn ‑перехода.

И, конечно же, при этом возрастает собственная емкость диода. У плоскостных диодов собственная емкость достигает нескольких сот пикофарад (пф ). В то же время собственная емкость точечных диодов ввиду очень малой поверхности рn ‑перехода обычно составляет несколько десятых долей пф . И поэтому точечные диоды могут работать в цепях переменного тока высокой частоты, там, где применение плоскостных диодов невозможно из‑за их большой емкости.

Постоянный ток, как известно, не проводит через конденсатор – между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается и разряжается, в его цепи все‑таки возникает кратковременный ток – заряды двигаются на обкладки (зарядный ток) или уходят с них (разрядный ток). Под действием переменного напряжения циклы заряд‑разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора возникает переменный ток. Ток этот возрастает с увеличением частоты: чем выше частота, тем чаще двигаются заряды «туда‑обратно», тем большее их количество проходит по цепи каждую секунду.

Есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С конденсатора, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор можно представить в виде некоторого условного резистора, обладающего емкостным сопротивлением x_с , от которого зависит величина тока. Само же x_с зависит от частоты f и емкости С . (Воспоминание № 13; формулы действительны только для переменного тока синусоидальной формы). Сопротивление x_с называют реактивным– оно не потребляет мощности, а лишь влияет на величину тока.

Предположим, что в плоскостном диоде емкость рn ‑перехода равна 100 пф. На частоте 100 килогерц (кгц) конденсатор такой емкости ведет себя как сопротивление 16 килоом (ком). Это сопротивление намного меньше обратного сопротивления диода и сильно шунтирует его. Образно говоря, собственная емкость диода совершает «предательство» (не забывайте про стр. 26!) – создает обходной путь, который фактически делает диод ненужным, неработающим элементом цепи.

Как видите, большой прямой ток плоскостных диодов покупается довольно дорогой ценой: предельная рабочая частота этих диодов обычно не превышает 10–20 кгц. Точечные диоды хорошо работают на частотах в десятки, сотни и даже тысячи мегагерц (Мгц). На высоких частотах емкостное сопротивление точечного диода оказывается весьма большим благодаря его небольшой собственной емкости (чем меньше емкость, тем больше емкостное сопротивление). И поэтому точечный диод практически не подвергается шунтирующему действию собственного конденсатора‑«предателя».

Есть еще несколько параметров полупроводникового диода, с которыми нам необходимо познакомиться. Это обратный ток и прямое напряжение, а также предельная температура, которую терпит диод. Мы не стали включать эти параметры в таблицы, потому что для многих диодов они одинаковы и таблицы оказались бы заполненными множеством одинаковых цифр.

Так, например, все германиевые диоды работают при температуре не более +60 °C. Для кремниевых диодов верхняя температурная граница значительно выше – до +100 °C (часто указывают иные величины, а именно: +70 °C и + 150 °C).

Причиной гибели диодов при высокой температуре является уже знакомый тепловой пробой. Тепловая энергия увеличивает собственные колебания атомов, как бы расшатывает их, и в результате увеличивается число электронов, покидающих внешние орбиты. Поэтому с увеличением температуры в полупроводниковом диоде растет число неосновных (собственных) зарядов, а значит, уменьшается численное превосходство основных (примесных) зарядов, на котором, собственно говоря, и основана вся деятельность pn ‑перехода.

Посмотрите на рис. 21. Здесь показано, как меняется характеристика диода при его нагревании. Вы видите, что с ростом температуры резко увеличивается обратный ток – происходит это именно за счет увеличения собственной проводимости полупроводника. Постепенно дело доходит до того, что обратный ток становится равным прямому, рn ‑переход разрушается, наступает тепловой пробой.

Рис. 21. При нагревании диода увеличивается число собственных (неосновных) зарядов в полупроводнике, увеличивается обратный ток через рn ‑переход.

То, что у кремниевых диодов это происходит при более высокой температуре, можно объяснить (опять‑таки очень упрощенно!) следующим образом. У кремния всего три орбиты, у германия – четыре. Поэтому в атоме кремния внешняя орбита находится ближе к ядру, электроны прочнее привязаны электрическими силами к ядру и нужна более высокая температура, более сильные тепловые колебания атома, чтобы выбросить электрон с его внешней орбиты.

Для того чтобы не перегреть полупроводниковый диод, не довести его до опасной граничной температуры, пользуются охлаждающими радиаторами, например медными, алюминиевыми или стальными пластинами. Роль радиатора может выполнять и металлическое шасси, на котором монтируется схема. Радиатор должен плотно прилегать к корпусу диода: лишь в этом случае диод хорошо передает ему свое тепло. Если же нужно, чтобы корпус диода (к нему подсоединена зона n , см. рис. 14) не имел электрического контакта с металлическим радиатором (чаще всего с шасси), то между диодом и радиатором помещают тонкую слюдяную прокладку.

Диоды большой и даже средней мощности без радиаторов вообще не используют, так как при этом у них очень резко, иногда в два‑три раза, уменьшаются допустимый прямой ток I_{пр‑доп} и допустимое обратное напряжение U_{обр‑доп} . А плоскостные диоды малой мощности, для которых не нужны радиаторы, при монтаже стараются располагать так, чтобы обеспечивалось их хорошее охлаждение. Более того, даже при пайке выводов полупроводникового прибора нужно остерегаться его перегрева. Паять нужно быстро, аккуратно, предварительно зажав вывод пинцетом или плоскогубцами, которые в данном случае играют роль теплоотвода (рис. 22).

Рис. 22. Перегрев при пайке или превышение подводимой мощности может привести к гибели диода.

Влияние температуры на работу полупроводникового диода, а в дальнейшем и триода доставит нам еще немало хлопот, и мы еще не раз будем возвращаться к этой неприятной теме.

Прямое напряжение U_пр , при котором через диод проходит допустимый прямой ток I_{пр‑доп} , так же как и обратный ток I_обр , соответствующий допустимому обратному напряжению U_{обр‑доп} , – параметры также довольно близкие для больших групп диодов. Так, для плоскостных диодов прямое напряжение, как правило, составляет 0,3–0,5 в. Как видите, прямое напряжение у плоскостных диодов весьма мало. Несколько больше, но тоже невелико прямое напряжение U_пр у точечных диодов.

Обратный ток I_обр при напряжении U_{обр‑доп} у плоскостных диодов обычно составляет 0,5–1,5 ма (то есть 500–1500 мка), а у точечных диодов 0,01–0,2 ма (10–200 мка). Во всех случаях обратный ток через диод даже при предельно допустимом обратном напряжении весьма мал. Во всяком случае, обратный ток всегда во много раз меньше прямого.

Зная токи и напряжения, легко подсчитать прямое и обратное сопротивление диода (R = U : I ). Для плоскостных диодов прямое сопротивление обычно очень мало – оно составляет всего 0,1–3 ом (!), а обратное 50–500 ком или даже несколько Мом. Прямое сопротивление точечных диодов чаще всего лежит в пределах от 10 до 100 ом, обратное – от 1 до 10 Мом. Цифры эти полезно запомнить: в дальнейшем они позволят понять, что именно почувствует та или иная электрическая цепь при включении в нее диода.

У нас остался еще один неоплаченный долг – еще один вопрос, который возник при знакомстве с вольтамперной характеристикой диода (стр. 46): с чем связано появление двух изогнутых участков, двух загибов характеристики в районе нулевого напряжения? В поисках ответа нам придется еще раз внимательно посмотреть, что происходит в рn ‑переходе, причем не при прямом его включении и не при обратном, а в том случае, когда диод вообще никуда не включен, когда он предоставлен самому себе.

А действительно, как ведет себя рn ‑переход, когда к нему не приложено никакого напряжения? Начнем с того, что такого случая почти никогда не бывает. Даже если к рn ‑переходу не подключать батареи, то и в этом случае на нем будет действовать небольшое, если можно так сказать, «самодельное» напряжение. Чтобы пояснить, откуда оно берется, нам придется упомянуть еще об одном физическом явлении – о диффузии. С этим явлением, так же, скажем, как с возникновением примесной проводимости или с влиянием температуры на свойства полупроводника, мы будем довольно часто сталкиваться при знакомстве с полупроводниковыми триодами.

Если в каком‑нибудь углу комнаты поставить банку с легко испаряющимся бензином, то его запах через некоторое время заполнит все помещение. Если в стакан чистой воды попадет капля туши, то пройдет несколько минут, и вся вода в стакане почернеет. Если в полупроводниковый кристалл насильно ввести некоторое количество свободных электронов, то вскоре они равномерно распределятся во всем объеме кристалла. Все три примера иллюстрируют хорошо известное физическое явление – диффузию.

Сущность ее состоит в том, что частицы – молекулы, атомы, электроны, – совершая свои обычные хаотические движения, постепенно передвигаются из районов с большой концентрацией в те районы, где этих частиц мало. Диффузия в том и состоит, что вещество старается распределиться равномерно в занимаемом объеме. Можно найти ей немало житейских аналогий, вспомнив, например, как люди равномерно размещаются на огромном пляже.

Диффузия наблюдается и в районе рn ‑перехода. Свободные электроны, сконцентрированные в зоне n , стремятся перейти в зону р , а дырки, наоборот, из зоны р направляются в зону n . Такое движение, казалось бы, должно продолжаться до тех пор, пока во всем кристалле концентрация дырок и электронов не станет одинаковой, пока не исчезнут зоны р и n . Однако этого не происходит. На борьбу с диффузией, которая хотела бы превратить диод в однородный кристалл, вступают могучие силы. Это электрические силы неподвижных зарядов – ионизированных атомов примеси (рис. 23).

Рис. 23. Силы диффузии стремятся ликвидироватьрn ‑переход, равномерно «перемешать» свободные заряды в кристалле, однако этому препятствуют электрические силы неподвижных ионов.

Вы, конечно, не забыли, что дырки в зоне р , а свободные электроны в зоне n в нужных нам количествах появляются лишь после введения в полупроводник донорных или акцепторных примесей (рис. 14). Но атомы примеси, отдав свой электрон или, наоборот, забрав электрон у соседа, сами превращаются в неподвижные ионы. Атом донора (отдающий электрон) становится положительным ионом, атом акцептора (забирающий электрон) – отрицательным. Неподвижные ионы равномерно распределены по всему полупроводниковому кристаллу: положительные ионы в зоне n , отрицательные – в зоне р (рис. 12, 13).

Если бы каждая из этих зон существовала сама по себе, то неподвижных ионов никто бы и не заметил: их суммарный заряд компенсировался бы суммарным зарядом свободных зарядов, и в целом зона была бы нейтральной. Но в действительности в полупроводниковом диоде зоны с разной проводимостью примыкают друг к другу. И, как мы только что сказали, из пограничных районов происходит диффузия свободных зарядов в соседнюю зону. Это значит, что в пограничной зоне в районах, непосредственно примыкающих к рn ‑переходу, заряды неподвижных ионов остаются некомпенсированными.

В зоне р остается некомпенсированный неподвижный отрицательный заряд, в зоне n – положительный. Эти неподвижные заряды – заряды ионизированных атомов – как раз и не дают возможность диффузии равномерно разбросать, размазать свободные электроны и дырки по всему кристаллу.

Некоторые свободные электроны еще успевают незамеченными уйти из зоны n . Но чем больше электронов уходит, тем сильнее начинают действовать электрические силы неподвижных положительных ионов, которые удерживают убегающих. Более того, в союзе с положительными ионами зоны n действуют и неподвижные отрицательные ионы зоны р . Они как бы отталкивают прибывающие к ним электроны, возвращают их в зону n . Аналогично действуют неподвижные ионизированные атомы и в отношении убегающих из зоны р дырок. Остающиеся в этой зоне отрицательные ионы тянут эти дырки обратно, а положительные ионы зоны n отталкивают дырки к рn ‑переходу.

Обо всем этом можно сказать и иначе: оставшиеся нескомпенсированными неподвижные ионы пограничной полосы создают некоторое напряжение, «плюс» и «минус» которого приложены непосредственно к pn ‑переходу. Это напряжение, появившееся в результате первоначальной небольшой диффузии свободных носителей, направлено так, что не дает диффузия развернуться во всю свою мощь и сохраняет необходимую концентрацию свободных носителей в обеих зонах полупроводникового диода.

Когда к диоду прикладывают внешнее напряжение, вся картина постепенно меняется: меняется количество носителей, переходящих границу в результате диффузии, меняется количество носителей, переходящих границу под действием электрических сил. Да и сами эти электрические силы меняются – ведь теперь они являются результатом совместного действия батареи и собственного «самодельного» напряжения на pn ‑переходе. Не стремясь разобраться в тонкостях этих событий, мы отметим лишь две их особенности.

Если увеличивать от нуля прямое напряжение, приложенное к диоду, то вначале это напряжение в какой‑то степени будет компенсироваться собственным напряжением pn ‑перехода (эти напряжения действуют друг против друга). В результате ток через диод будет нарастать сравнительно медленно, и в начале правой (положительной) ветви ной характеристики появится небольшой загиб.

При обратном включении диода собственное напряжение pn ‑перехода содействует, помогает внешнему напряжению (оба напряжения действуют в одну сторону). Пока внешнее напряжение мало, помощь эта весьма ощутима, и ток растет сравнительно быстро. Так появляется загиб в начале левой (отрицательной) ветви вольтамперной характеристики.

Мы рассказали о полупроводниковом диоде все. Разумеется, не все, что можно было, и даже не все, что хотелось. Мы рассказали о проводниковом диоде то, что нужно для облегчения знакомства с транзистором. И хотя путь к транзистору уже открыт, мы еще раз отклонимся от своей главной цели. Нужно до конца выполнить свой долг перед диодом: уделив так много внимания его устройству, характеристикам, параметрам, мы должны хотя бы коротко сказать о профессиях полупроводникового диода, о схемах, в которых он работает.