Рис. 15. Прохождение тока через р-n переход. На рисунке обозначены только носители зарядов: электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области n и акцепторы области р для большей ясности опущены.
Н. — Хорошо. В области n свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими из источника напряжения. Они пересекут переход и заполнят дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу.
Л. — Чтобы быть более точными, скажем, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон каждый раз, когда другой электрон преодолеет переход, перепрыгнув из области n в область р. Электрон, притянутый источником, создает дырку, которая будет заполнена электроном, расположенным ближе к переходу, на месте электрона возникает дырка и т. д, дырка будет перемещаться в сторону перехода, пока она не будет заполнена там новым электроном, пришедшим из области n.
Н. — Следовательно, я был абсолютно прав, когда сказал, что возникает ток, образуемый электронами и дырками, перемещающимися в противоположных направлениях.
Л. — Да, это правильно, когда напряжение прикладывают, как мы это сейчас сделали, в прямом направлении, т. е. присоединяют положительный полюс источника к области р, а отрицательный полюс к области n. Но если приложить напряжение в обратном направлении, то результат будет иным (рис. 16).
Рис. 16. Прилагая к р-n переходу обратное напряжение, мы лишь оттягиваем электроны и дырки от границы раздела двух областей. Таким образом, «потенциальный барьер», высота которого повышается, препятствует прохождению тока.
Н. — Почему же? Электроны отрицательного полюса источника притянут дырки области р ближе к концу кристалла полупроводника, а к другому концу кристалла положительный потенциал источника притянет свободные электроны. Вот неожиданность!.. Ведь при этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать переход, а потенциальный барьер только увеличится, значит, никакого тока мы не получим!
Л. — Не я заставил тебя говорить это. Ты сам видел, что ток может установиться только при приложении прямого напряжения, когда положительный полюс соединяется с областью р, а отрицательный — с областью n. Но если ты поменяешь полярность, то тока не будет или же будет только чрезвычайно малый обратный ток (рис. 17).
Рис. 17. Зависимость обратного тока через р-n переход от приложенного напряжения. Внимание: кривая приведена не в линейном, а в логарифмическом масштабе.
Н. — Даже если приложить высокое напряжение?
Л. — Даже и в этом случае, но до известного предела. Если ты превысишь этот предел, то потенциальный барьер будет прорван и электроны устремятся лавиной: ток мгновенно станет большим. Это явление аналогично электрическому пробою диэлектрика, и напряжение, при котором оно происходит, называют пробивным напряжением р-n перехода. Это явление в некоторых случаях применяется в электронике, но мы не будем прибегать к его помощи. И для нас переход останется проводником в прямом направлении и практически диэлектриком в обратном направлении.
Обязательное одностороннее движение
Н. — Но тогда переход, проводящий только в одном направлении, представляет собой настоящий выпрямитель?
Л. — Да, тысячу раз да, дорогой Незнайкин. Если ты приложишь к нему переменное напряжение, то ток пойдет во время одного полупериода, когда напряжение окажется прямым, но не пойдет во время другого полупериода при обратной полярности напряжения (рис. 18)
Рис. 18. Диод с р-n переходом может служить выпрямителем, так же как и вакуумный диод, но в отличие от последнего он не требует напряжения накала! На нашем рисунке показан однополупериодный выпрямитель.
Н. — Как через любой диод?
Л. — Совершенно верно. И именно по этой причине р-n переход называют полупроводниковым диодом (рис. 19).
Рис. 19. Условное обозначение полупроводникового диода выбрано с учетом условного направления тока от положительного полюса к отрицательному, которое, однако, не соответствует истинному направлению движения электронов.
Как и любой другой диод, он может служить детектором (рис. 20). Он прекрасно выполняет функции детектора, а на очень высоких частотах — даже лучше, чем вакуумные диоды.
Рис. 20. Диод с р-n переходом используется в качестве детектора. Детектирование напряжения выделяется на резисторе, причем высокочастотные пульсации сглаживаются конденсатором.
Н. — А можно ли также использовать переходы в качестве выпрямителей относительно больших токов, например вместо кенотронов, выпрямляющих анодное напряжение?
Л. — Это широко распространено. Кремниевые, купроксные или селеновые выпрямители с успехом заменяют вакуумные вентили, причем обладают еще и рядом преимуществ: они прочнее, экономичнее, а их срок службы значительно больше.
Н. — Если это так, то я без колебаний провозглашу: «Да здравствуют полупроводники!»
Беседа третья
ДОБРЫЙ ДЕНЬ, ТРАНЗИСТОР!
Разобрав в предыдущей беседе свойства переходов, наши два друга приступают здесь к изучению транзистора, у которого при первом же знакомстве обнаруживаются глубокое сходство и не менее глубокое различие с электронной лампой. Любознайкин и Незнайкин разбирают сущность процесса усиления транзистора и делают интересные наблюдения относительно входного и выходного сопротивлений транзистора.
Содержание: Транзисторы структур р-n-р и n-р-n. Ток покоя. Ток базы. Транзисторный эффект. Усиление тока. Аналогия лампа — транзистор. Входное и выходное сопротивления. Усиление напряжения. Питание транзистора.
Глупая шутка
Любознайкин. — Здравствуй, Незнайкин! Почему ты опоздал и почему у тебя такой разъяренный вид?
Незнайкин. — Есть отчего… Знаешь ли ты, что на вашу улицу нельзя больше проехать на автомобиле?
Л. — На ней одностороннее движение, но достаточно въехать на нее в разрешенном направлении, чтобы…
Н. — Нет больше разрешенного направления! Эти регулировщики, которые, несомненно, считают себя большими остряками, повесили и на другом конце знак «Въезд запрещен», так что теперь въезд на вашу улицу закрыт с обеих сторон.
Л. — Ну, это, может быть, просто шутка одного из тех, которому надоел шум автомобилей… и теперь мы в тишине сможем наконец рассмотреть принцип работы транзистора.
Н. — Я горю от нетерпения узнать, как устроено это «трехлапое создание».
Л. — Ну, в этом нет ничего сложного. Транзистор состоит из двух противоположно направленных р-n переходов. Можно, например, объединить два р-n перехода таким образом, что их область р окажется общей; в результате получим транзистор структуры n-р-n (рис. 21).
Рис. 21. Два основных вида транзисторов: n-р-n и р-n-р.
Н. — Я думаю, что точно так же от объединения областей n двух р-n переходов мы получим транзистор структуры р-n-р.
Л. — Естественно. Я добавлю, что одна из внешних областей называется эмиттером, а другая — коллектором, средняя же область, которая должна быть очень тонкой (и я прошу тебя обратить на это условие особое внимание), называется базой.
Н. — Одним словом, транзистор представляет собой своеобразный бутерброд из двух толстых кусков хлеба, между которыми положен тоненький кусочек ветчины.
Л. — Да, если хочешь.
Н. — Но позволь мне сказать, что твой бутерброд так же несъедобен, как недоступна для машин ваша улица.
Непроницаемый бутерброд
Л. — На что ты намекаешь, уважаемый друг?
