Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы
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.
