Евгений Айсберг - Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Самый любопытный факт заключается в том, что в этом отрицательном полупроводнике атомы примеси становятся положительными. В самом деле, уход пятого периферийного электрона нарушает нейтралитет атома и делает его положительным. На месте этого электрона образуется дырка, которую может заполнить другой электрон.

Положительные полупроводники

Посмотрим теперь, что происходит при введении в полупроводник трехвалентных примесей, таких, как алюминий или галлий, атомы которых имеют на внешней оболочке три электрона. Такой атом, попав в кристаллическую решетку из атомов, имеющих по четыре периферийных электрона, устанавливает валентные связи с тремя соседними атомами. Но четвертый атом тоже хочет быть с ним в связи, чтобы сохранить нормальную структуру кристалла. Поэтому он всячески стремится направить к нему один из своих периферийных электронов. Теперь он становится положительным, так как отсутствие этого электрона образует дырку, пустоту. И он стремится заполнить ее, притягивая электрон от другого соседнего атома (рис. 119).

Рис. 119. В положительном полупроводнике дырка примесного трехвалентного атома заполнена электроном, пришедшим с отрицательной стороны. Это вновь создает дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, приходящим с соседнего атома, и т. д. На рисунке показаны последовательные фазы этого перемещения электронов, которые направляются к положительному полюсу, и дырки (представляющие собой положительный заряд), которые перемещаются к отрицательному полюсу.

Необходимо отметить, что все эти перемещения электронов происходят при приложении к полупроводнику разности потенциалов. В этот момент дырка в трехвалентном атоме заполняется электроном, пришедшим со стороны, в которой проложен отрицательный потенциал. В результате электрон приблизился к положительному концу полупроводника. Но в это же время дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному концу полупроводника. С этой стороны приходит другой электрон заполнить новую дырку, что приведет к возникновению дырки еще ближе к отрицательному концу полупроводника, и т. д.

Как видишь, благодаря трехвалентным примесям дырки, т. е. положительные заряды, перемещаются от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Такой полупроводник относится к типу р (положительному), а явление, столь же парадоксальное, как и в полупроводнике типа n, заключается в том, что атомы примеси становятся отрицательными, когда дополнительный электрон занимает место на их внешней оболочке. Эти атомы в отличие от доноров пятивалентных примесей называются акцепторами.

n-р переход

Посмотрим теперь, что произойдет, если плотно соединить два полупроводника противоположных типов (рис. 120). Изменит ли образовавшийся n-р переход распределение зарядов внутри каждого из соединенных таким образом полупроводников?

Рис. 120. Переход между полупроводниками типов n и р. Внимание привлекает возросшая плотность ионизированных атомов вблизи перехода. Они отталкивают дырки и электроны.

Ты догадываешься, что атомы-доноры зоны n, ионизированные положительно, притянут атомы-акцепторы зоны р, ионизированные отрицательно. В результате по обе стороны перехода увеличится плотность ионизированных атомов. Но если заряды противоположной полярности притягиваются, то заряды одинаковой полярности отталкиваются. Следовательно, положительные ионы, которые сгруппировались около перехода в зоне n, оттолкнут положительные дырки зоны р. Что же касается отрицательно ионизированных атомов, то, сгруппировавшись у перехода в зоне р, они оттолкнут свободные электроны в зоне n.

Итак, соединение двух полупроводников противоположных типов вызвало в каждом из них перемещение свободных электронов, не изменив при этом общего заряда, который остается равным нулю. В самом деле, как в полупроводнике n, так и в полупроводнике р положительные заряды имеют такую же величину, как и отрицательные.

Напряжение обратной полярности

А теперь приложим к полупроводниковому n-р переходу напряжение, подключив положительный полюс источника к зоне n, а отрицательный полюс — к зоне р (рис. 121). Что же произойдет?

Рис. 121. Прилагая к n-р переходу обратное напряжение, лишь оттягивают электроны к положительному полюсу, а дырки — к отрицательному: никакой ток тут пройти не может.

Положительный потенциал, приложенный к зоне n, еще больше притянет свободные электроны, которые уже имели наибольшую плотность на этом конце, и оттолкнет положительные ионы, еще больше увеличив их плотность у перехода. В это же время отрицательный потенциал, приложенный к зоне р, притянет атомы-дырки, собравшиеся на этой стороне, и оттолкнет к переходу еще большее количество отрицательно ионизированных атомов.

Как видишь, ток через переход практически не протекает. Вследствие приложения к переходу напряжения увеличилась плотность ионизированных атомов, положительных атомов-дырок и свободных электронов.

Напряжение прямой полярности

А теперь посмотрим, что произойдет, если мы приложим напряжение в соответствии с полярностью полупроводника: положительный полюс источника к зоне р, а отрицательный — к зоне n (рис. 122).

Рис. 122. Здесь напряжение приложено в прямом направлении: положительный полюс соединен с зоной р, а отрицательный — с зоной n. В этом случае ток проходит через переход.

Отрицательный потенциал оттолкнет свободные электроны в полупроводнике n к переходу, который они свободно преодолеют благодаря притяжению положительным полюсом источника. Со своей стороны, положительный потенциал оттолкнет положительные атомы-дырки через переход в зону n.

Если ты желаешь получить более подробное объяснение, я скажу, что положительный полюс притянет и поглотит электрон зоны р каждый раз, когда свободный электрон преодолеет n-р переход Образовавшаяся таким образом дырка в атоме, расположенном близко к концу зоны р, будет заполнена электроном, приходящим с атома, расположенного ближе к переходу, а образовавшаяся в результате ухода этого электрона дырка, в свою очередь, будет заполнена электроном, пришедшим с атома, расположенного еще ближе к переходу, и т. д. Этим и объясняется движение дырок через переход из зоны р в зону n, тогда как электроны преодолевают переход в обратном направлении.

Полупроводниковый диод

Итак, ты видишь, что n-р переход пропускает ток в одном направлении и препятствует его прохождению в противоположном направлении. Это означает, что полупроводниковый n-р переход представляет собой диод, аналогичный вакуумному диоду. Вот почему n-р переход называется полупроводниковым диодом (рис. 123).

Рис. 123. Условное графическое изображение полупроводникового диода.

Он выгодно заменяет вакуумный диод во всех случаях его применения. Иначе говоря, он может служить детектором, а также выпрямителем переменного тока для питания электронных устройств. И, как ты видишь, здесь не нужно заботиться о накале, как в случае использования электронных ламп. В то же время обращение с полупроводниковым диодом требует осторожности, так как приложенное в непроводящем направлении напряжение не должно превышать некоторого предела. Выше этой величины создаваемый переходом потенциальный барьер разрушится, в результате чего диод выйдет из строя.

А теперь, когда я объяснил основные понятия, относящиеся к полупроводникам, и, в частности, поведение n-р перехода, я думаю, что ты, Любознайкин, можешь смело начать объяснять Незнайкину принцип работы и использования транзистора.

Беседа десятая

ТРАНЗИСТОР

Здесь рассматриваются основные вопросы, относящиеся к транзисторам: их конструкция, способ питания, прохождение токов во входной и выходной цепях, схема усилительного каскада, изменение тока коллектора в зависимости от приложенного на вход напряжения, входное сопротивление транзистора и рассеиваемая на нем мощность.