Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Т-132. Основной элемент всех полупроводниковых приборов — рn-переход, область соприкосновения зоны р и зоны n. Руководствуясь замечанием Т-8, забудем на время обо всем, что происходит в полупроводниках, и будем представлять себе вещество с n-проводимостью как некий объем, заполненный свободными электронами (на рисунках они условно обозначены белыми шариками), а вещество с р-проводимостью как объем с какими-то свободными положительными зарядами (на рисунках черные шарики). К подробностям будем обращаться лишь по мере необходимости. Например, для того, чтобы объяснить, почему свободные электроны и свободные дырки в диоде не устремляются навстречу друг другу, почему не происходит их взаимной нейтрализации.

Вспомните, что, помимо свободных зарядов, в полупроводниках с примесями имеются еще и неподвижные ионы — в зоне n это неподвижные положительные ионы донора, например мышьяка, в зоне р — неподвижные ионы акцептора, например индия. В нормальном состоянии полупроводник нейтрален, число свободных зарядов и неподвижных ионов, число «плюсов» и «минусов» в нем одинаково. Но как только первые электроны покинут зону n, она окажется наэлектризованной, в ней начнет действовать суммарный положительный заряд лишних ионов. И эти ионы начнут тянуть свободные электроны обратно, мешать их движению в сторону границы (Т-8). Точно так же отрицательные ионы будут мешать свободным дыркам уходить из зоны р. В итоге между зонами будет существовать пограничная линия, точнее, очень узкая пограничная зона, отделяющая область свободных положительных зарядов от области свободных электронов. Эта пограничная область называется рn-переход (звучит так — «пэ-эн-переход»). С событиями в рn-переходе связана работа всех полупроводниковых приборов, в частности диодов.

Т-133. Полупроводниковый диод пропускает ток в основном только в одну сторону. Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне n (Р-79;3), то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к рn-переходу (Т-8). Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.

Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне n, «минус» — к зоне р. Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы (Р-79;4), электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге рn-переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.

Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) — электронов, в зоне n и дырок в зоне р — в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов. (Т-128), и именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Неприятно то, что ток этот зависит от температуры — при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается и обратный ток растет (Р-79;4).

О событиях в полупроводниковом диоде рассказывает его основная характеристика — зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения (Р-80).

Р-80

На некоторые участки этой, как ее называют, вольт-амперной характеристики следует обратить внимание. Прежде всего мы видим, что на ее прямой ветви есть небольшой загиб, ступенька — в области малых напряжений (у германия примерно до 0,2 В, у кремния — до 0,6 В) прямой ток нарастает незначительно. Такой загиб характеристики появляется вследствие некоторых сложных процессов в рn-переходе, он может стать причиной нелинейных искажений сигнала (Т-114, Т-117).

В области обратных напряжений ток почти не меняется: все собственные неосновные носители сразу же включаются в движение, и обратный ток сразу достигает своей предельной величины.