ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 4 страница
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: зона р 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.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!