Изобретение, которое потрясло мир

Диоды, транзисторы и простейшие схемы на их основе

Не имея намерения подробно описывать осаду и приводя лишь те события, которые имеют непосредственную связь с рассказываемой нами историей, скажем вкратце, что предприятие удалось

А. Дюма. Три мушкетера

Казалось бы, все так просто: есть очень хорошие проводники (металлы), есть очень плохие – изоляторы (фарфор или пластмасса), а есть – полупроводники. Подумаешь! Причем полупроводников на свете гораздо больше, чем проводников и изоляторов, что, если подумать, представляется естественным. Однако когда научились получать очень чистые полупроводники со строго дозированными определенными примесями, то оказалось, что это – революция, потому что такие материалы обладают совершенно необыкновенными электрическими характеристиками.

Электроника на основе полупроводников носит также название твердотельной. Полупроводниковые приборы делают на основе разных материалов – в основном, кремния. Первым промышленным полупроводником стал германий (а до него еще существовали купроксные и селеновые диоды), но сейчас он практически не употребляется, и только небольшая часть полупроводниковых компонентов – например, светодиоды – делается из материалов, отличных от кремния.

Из всех полупроводниковых устройств исторически первыми были диоды.

Диоды

Вообще‑то диод – устройство вовсе не обязательно полупроводниковое. Были и ламповые диоды (кенотроны), но они давно вымерли, потому мы будем рассматривать только твердотельные.

Диод – простейший активный электронный прибор, проще не бывает. В одну сторону диод проводит ток (т. е. представляет собой в идеале проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в очень большое сопротивление) – одним словом, обладает односторонней проводимостью. Соответственно, выводов у него всего два: они, как повелось еще со времен ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным). Если подключить диод к регулируемому источнику напряжения, то он будет вести себя, как показано на рис. 6.1, где представлена так называемая вольт‑амперная характеристика диода. Из нее, в частности, следует, что в прямом включении (т. е. анодом к плюсу источника) после превышения некоторого порогового напряжения (U_пр ) прямой ток через диод (I_пр ) растет неограниченно и будет лимитироваться только мощностью источника (скорее всего, диод сгорит раньше, чем эта мощность будет достигнута).

Рис. 6.1. Вольт‑амперная характеристика диода

В обратном же включении (катодом к плюсу) ток через диод (I_обр ) пренебрежимо мал и составляет несколько микро‑ или даже наноампер для обычных маломощных кремниевых диодов или до единиц миллиампер для мощных выпрямительных. Причем для германиевых диодов обратный ток намного выше, чем для кремниевых, отчего их сейчас практически и не употребляют. Этот ток сильно зависит от температуры и может возрасти на несколько порядков (от нано‑ до микроампер) при повышении температуры от ‑50 °C до +50 °C, поэтому на графике его величина показана очень приблизительно (обратите внимание, что для наглядности верхняя и нижняя половины графика по оси токов построены в разных масштабах).

В отличие от обратного тока, прямое падение напряжения U_пp гораздо меньше зависит как от типа и конструкции, так и от температуры. Для кремниевых диодов прямое падение напряжения U_д всегда можно считать равным примерно 0,6–0,7 В , для германиевых и так называемых диодов Шоттки (маломощных диодов с переходом металл‑полупроводник) – порядка 0,2–0,4 В. Для кремниевых диодов при увеличении температуры U_пр падает примерно на 2,3 мВ на один градус, и этот эффект нередко используют для измерения температуры. В германиевых диодах, кстати, этот эффект в разы больше (порядка 10 мВ на градус).

Если умножить указанное прямое падение напряжения на проходящий через диод в прямом включении ток, то мы получим тепловую мощность, которая выделяется на диоде. Именно она приводит диоды к выходу из строя – при превышении допустимого тока они просто сгорают. Обычное предельно допустимое среднее значение тока через маломощные диоды – десятки и сотни миллиампер. Впрочем, тепловые процессы инерционны, и мгновенное значение тока, в зависимости от длительности импульса, может превышать предельно допустимое среднее значение в сотни раз! Мощные диоды (рассчитанные на токи 3–5 А и выше) часто приходится устанавливать на радиаторы.

Другая характеристика диодов – предельно допустимое обратное напряжение . Если оно превышено, то диоды также выходят из строя – электрически пробиваются и замыкаются накоротко. Обычная допустимая величина обратного напряжения для маломощных диодов – десятки вольт, для выпрямительных диодов – сотни вольт, но есть диоды, которые выдерживают и десятки тысяч вольт (обычно они составляются из нескольких последовательно включенных диодов с меньшим допустимым значением). Интересно, что кремниевые диоды при кратковременном превышении максимального обратного напряжения пробиваются обратимо – если ток невелик и допустимая мощность не превышена, то после спада напряжения диод восстанавливает свои свойства. Далее мы увидим, что существуют и диоды, для которых пробой в обратном включении является рабочим режимом – они называются стабилитронами .

Физически диод состоит из небольшого кристаллика полупроводникового материала, в котором в процессе производства формируются две зоны с разными проводимостями, называемыми проводимостью n ‑ и p ‑типа. Ток всегда течет от направления p ‑зоны по направлению к n ‑зоне, в обратном направлении диод заперт. Более подробные сведения о физике процессов, происходящих в p‑n ‑переходе, излагаются во множестве пособий, включая школьные учебники, но для практической деятельности почти не требуются.

Транзисторы

Транзистор – это электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления сигналов. Первым таким прибором в истории была электронная лампа (а еще до нее – электромагнитные реле, которые с некоторыми оговорками тоже можно отнести к усилителям тока или напряжения, – их мы рассмотрим в главе 7 ).

Лампа сумела сделать немало – именно в ламповую эпоху возникли радио и телевидение, компьютеры и домашняя звукозапись. Но только транзистор и возникшие на его основе микросхемы сумели действительно перевернуть мир, ввести электронные устройства в наш повседневный быт так, что мы теперь уже и не мыслим себя без них.

Транзисторы делятся на биполярные и полевые (или униполярные). Пока мы будем говорить только о биполярных транзисторах.

Физически биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника, разделенных двумя p‑n ‑переходами. Поэтому можно себе представить, что он состоит как бы из двух диодов, один из слоев у которых общий, и это представление весьма близко к действительности! Скомбинировать два диода можно, сложив их либо анодами, либо катодами, соответственно, различают n‑р‑n ‑ и p‑n‑р ‑транзисторы.

Различаются эти разновидности только полярностями соответствующих напряжений, поэтому, чтобы заменить n‑р‑n ‑ на аналогичный p‑n‑р ‑транзистор, надо просто поменять знаки напряжений во всей схеме на противоположные (все полярные компоненты, – диоды, электролиты – естественно, тоже надо перевернуть).

N‑p‑n ‑типов транзисторов выпускается гораздо больше, и употребляются они чаще, поэтому мы пока что будем вести речь исключительно о них, но помнить, что все сказанное справедливо и для p‑n‑р , с учетом обратной их полярности. Правильные полярности и направления токов для n‑р‑n ‑транзистора показаны на рис. 6.2.

Рис. 6.2. N‑р‑n ‑транзистор:

_{а – рабочие полярности напряжений и направления токов в n‑р‑n ‑ транзисторе (к– коллектор, б – база, э– эмиттер);}

_{б – условное представление транзистора как элемента, состоящего из двух диодов}

* * *

Заметки на полях

Первый в истории транзистор (рис. 6.3) был создан в 1947 году в знаменитых Лабораториях Белла (Bell Labs ) Дж. Бардиным и У. Браттейном по идеям Уильяма Брэдфорда Шокли. Кроме изобретения транзистора, У. Шокли известен так же как основатель знаменитой Кремниевой долины – технополиса в Калифорнии, где сегодня расположено большинство инновационных полупроводниковых и компьютерных фирм. Из фирмы Шокли под названием Shockley Semiconductor Labs вышли, в частности, Гордон Мур и Роберт Нойс – будущие основатели фирмы Intel , крупнейшего ныне производителя микропроцессоров. Г. Мур еще известен как автор знаменитого «закона Мура», а Р. Нойс – как изобретатель микросхемы (совместно с Д. Килби – подробнее об этом см. главу 11 ).

* * *

Три вывода биполярного транзистора носят названия коллектор, эмиттер и база . Как ясно из рис. 6.2, б , база присоединена к среднему из трех полупроводниковых слоев. Так как согласно показанной на рисунке полярности включения, потенциал базы n‑р‑n ‑транзистора более положителен, чем у эмиттера, то соответствующий диод всегда открыт для протекания тока. Парой страниц ранее мы убедились, что в этом случае на нем должно создаваться падение напряжения в 0,6 В. Именно так и есть – в рабочем режиме напряжение между эмиттером и базой кремниевого транзистора всегда составляет 0,6 В , причем на базе напряжение выше, чем на эмиттере (еще раз напомним, что для p‑n‑р‑транзисторов напряжения обратные, хотя их абсолютные величины совпадают). А вот диод между коллектором и базой заперт обратным напряжением. Как же может работать такая структура?

Практически это можно себе представить, как если бы ток, втекающий в базу, управлял бы неким условным резистором, расположенным между коллектором и эмиттером (пусть вас не смущает помещенный там диод коллектор‑база, через него‑то ток все равно не потечет). Если тока базы нет, т. е. выводы базы и эмиттера закорочены (необязательно, чтобы непосредственно, главное, чтобы напряжение на базе относительно эмиттера было бы близко к нулю), тогда промежуток эмиттер‑коллектор представляет собой очень высокое сопротивление, и ток через коллектор пренебрежимо мал (сравним с током обратной утечки диода). В таком состоянии транзистор находится в режиме отсечки (транзистор заперт – закрыт).

В противоположном режиме ток базы велик (U_бэ = 0,6–0,7 В, как мы говорили ранее), а промежуток эмиттер‑коллектор тогда представляет собой очень малое сопротивление. Это режим насыщения, когда транзистор полностью открыт. Естественно, в коллекторной цепи должна присутствовать какая‑то нагрузка, иначе транзистор в этом режиме может просто сгореть. Остаточное напряжение на коллекторе транзистора может при этом составлять всего около 0,3 В. Эти два режима представляют часто встречающийся случай, когда транзистор используется в качестве «ключа» (говорят, что обработает в ключевом режиме), т. е. просто как обычный выключатель тока.

А в чем смысл такого режима, спросите вы? Такой режим вполне осмыслен – ток базы может управлять током коллектора, который на порядок‑другой больше – т. е. налицо усиление сигнала по току (за счет, естественно, энергии источника питания). Насколько велико может быть такое усиление? Для режима «ключа» почти для всех обычных типов транзисторов можно смело полагать коэффициент усиления по току (т. е. отношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы I_к /I_б ) равным 10–30 – не ошибетесь. Если ток базы и будет больше нужного – не страшно, он никуда не денется, лишь бы он не превысил предельно допустимого, а открыться сильнее транзистор все равно не сможет. Коэффициент усиления по току в ключевом режиме еще называют коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала и обозначают буквой β . Есть особые «дарлингтоновские» транзисторы, для которых β может составлять до 1000 и более – о них мы расскажем позже.

Рис. 6.3 . Первый транзистор

_{(Фото Lucent Technologies Inc./Bell Labs)}