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.

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).

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.

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.

В точечном диоде один из выводов также припаивают непосредственно к кристаллу. Другой вывод представляет собой тончайшую стальную проволочку, которая упирается в кристалл. При изготовлении диода конец проволочки покрывают металлом-донором, или акцептором, например алюминием или индием. В результате в том месте кристалла, куда упирается проволочка, образуется миниатюрный точечный рn-переход.

Плоскостные и точечные диоды — это не просто разные конструкции, возникшие по прихоти двух изобретателей. Это разные приборы с разными характеристиками и параметрами, по-разному ведущие себя во многих электрических цепях.

О поведении диода в электрической цепи многое может рассказать его вольтамперная характеристика (рис. 19).

Рис. 19. Вольтамперная характеристика диода как бы состоит из двух характеристик — для прямого и обратного включения диода, для прямого и обратного тока.

На этом графике видно, как меняется ток I через диод при изменении приложенного к нему напряжения (отсюда и название характеристики, оно как бы говорит: «изменение вольтов приводит к изменению амперов»).

После всего, что было рассказано, вольтамперная характеристика диода, по-видимому, ясна вам с первого взгляда. Прежде всего мы можем разделить всю эту характеристику на две части, на две области — положительных и отрицательных напряжений.

Область положительных напряжений (сперва от нулевого напряжения, то есть от U = 0) соответствует прямому включению диода. Здесь ток — его называют прямым током — сравнительно велик и резко возрастает при увеличении U. Это значит, что само понятие «положительное напряжение» в данном случае нужно понимать только так: диод включен в прямом направлении, «плюс» батареи подключен к зоне р.

Слева от U = 0, то есть в области отрицательных напряжений, диод включен в обратном направлении: к зоне р подключен «минус» батареи. Ток в отрицательной области, конечно, очень мал и при увеличении напряжения (разумеется, отрицательного!) растет незначительно. Вообще же само появление обратного тока и его рост связаны с существованием неосновных носителей, которые умеют двигаться так же, как и основные, но только в противоположную сторону и при обратном напряжении (рис. 16 и 17).

Внимательно присмотревшись к вольтамперной характеристике, можно обнаружить на ней несколько непонятных участков. Почему, например, при очень маленьких положительных напряжениях ток почти не растет и лишь постепенно набирает силу? Почему при малых отрицательных напряжениях ток возрастает довольно быстро и лишь потом рост его прекращается? Почему, наконец, ток бурно возрастает после того, как напряжение превысит величину U_{обр-доп}?

Резкое увеличение тока при высоких обратных напряжениях объясняется просто: разрушением pn-перехода. Разрушение происходит из-за слишком большой мощности, которая выделяется на pn-переходе и превращается в тепло. Полупроводниковые материалы перегреваются, резко возрастает их собственная проводимость, и pn-переход вообще исчезает. Происходит так называемый тепловой пробой, и диод становится обычным резистором.

При обратном включении диода чрезмерная, разрушающая pn-переход мощность получается при весьма больших напряжениях. И вот почему: обратный ток очень мал, а мощность, если вы не забыли, — это произведение напряжения на ток.

Обратите внимание, что при обратном включении диода тепловой пробой наступает не сразу. Увеличивая напряжение, мы сначала попадаем в область электрического пробоя. В этой области обратный ток резко возрастает, а значит, обратное сопротивление диода падает. Однако, если опять уменьшить напряжение, уменьшится и ток. Иными словами, электрический пробой, возникновение которого связано с тонкими молекулярными механизмами, процесс обратимый. Он резко, лавинообразно увеличивает обратный ток, но стоит уменьшить напряжение, диод возвращается в исходный режим и вновь становится электрическим вентилем.

В то же время тепловой пробой выводит полупроводниковый прибор из строя навсегда. И если когда-нибудь к вам в руки попадет диод, который потерял способность быть вентилем, потому что у него обратное сопротивление такое же, как и прямое, то знайте: диод побывал в области теплового пробоя.

Для того чтобы не погубить полупроводниковый диод (а часто вместе с ним могут погибнуть и другие элементы схемы, например, силовой трансформатор), чтобы не довести диод до теплового пробоя, не нужно превышать некоторую предельно допустимую для данного типа диодов мощность. Об этом как раз и говорят основные параметры диодов, приведенные в таблицах 1–5. Правда, в этих таблицах самой мощности вы не найдете, вместо нее указан средний прямой ток I_вып, который можно пропустить через диод (подчеркиваем — это именно средний прямой ток; на короткий срок эту величину иногда можно превысить), и предельное обратное напряжение U_{обр-доп}.

То, что вместо максимально допустимой мощности указаны именно эти параметры, объясняется довольно просто.

Мощность, выделяемая на диоде при его прямом включении, равна произведению прямого тока на приложенное к диоду прямое напряжение. Но ведь ток и напряжение взаимно связаны. Например, в диоде Д7Ж прямой ток 0,3 а будет при прямом напряжении 0,5 в, а мощность в этом случае составит 0,15 вт (P = U·I). Именно эта мощность для данного типа диода является предельно допустимой, и превышать ее нельзя. Но вместо того чтобы говорить «не превышайте мощность 0,15 вт», мы можем сказать: «не превышайте ток 0,3 а». Ведь напряжение при этом токе для данного типа диодов почти всегда одинаково, а значит, ограничив ток, мы ограничиваем и мощность. Поскольку при включении диода в прямом направлении особенно важно знать, какой он может пропустить прямой ток, то именно эта величина входит в число основных параметров диода и включена в нашу таблицу рекомендованных режимов.

Рассуждая аналогичным образом, можно доказать, что, вместо того чтобы ограничивать мощность при обратном включении диода, достаточно ограничить его обратный ток или обратное напряжение. А поскольку при включении диода в какую-либо схему нам всегда легче определить, какое к нему будет приложено обратное напряжение, а не какой через него пойдет обратный ток, то именно поэтому допустимое обратное напряжение U_{обр-доп}входит в число основных параметров диода.

Вывод, который нужно сделать в результате всех этих пространных рассуждений, достаточно краток: не допускайте превышения прямого тока I_выпи обратного напряжения U_{обр-доп}.

Обогащенные этими новыми знаниями, мы уже можем критически взглянуть на таблицы 1–5. Первое, что бросается в глаза, — это довольно большое количество разных диодов. У некоторых прямой ток побольше, у других поменьше, некоторые диоды терпят обратное напряжение в сотни вольт, для других смертельным является напряжение в два-три десятка вольт. Видно также, что у точечных диодов допустимые токи и напряжения значительно меньше, чем у плоскостных.

Здесь вполне уместно задать вопрос: зачем вообще нужны точечные диоды, если любой из них по предельным параметрам уступает самому слабенькому плоскостному диоду? А дело в том, что плоскостные диоды проигрывают точечным по одному весьма важному параметру, который хотя и не входит в нашу таблицу, но о котором следует помнить. Этот параметр — собственная емкость диода (рис. 20).

Рис. 20. Сравнительно большая емкость плоскостного диода не позволяет использовать его в высокочастотных цепях.

Полупроводниковый диод очень напоминает плоский конденсатор. Его обкладки — зона р и зона n, а диэлектрик — область рn-перехода, лишенная свободных, зарядов. Известно, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его обкладок. Именно на этом, кстати, основано изменение емкости в переменном конденсаторе. Для того чтобы повысить допустимую величину прямого тока у плоскостных диодов, увеличивают площадь соприкосновения зоны р с зоной n, то есть, иными словами, увеличивают площадь рn-перехода.

И, конечно же, при этом возрастает собственная емкость диода. У плоскостных диодов собственная емкость достигает нескольких сот пикофарад (пф). В то же время собственная емкость точечных диодов ввиду очень малой поверхности рn-перехода обычно составляет несколько десятых долей пф. И поэтому точечные диоды могут работать в цепях переменного тока высокой частоты, там, где применение плоскостных диодов невозможно из-за их большой емкости.

Постоянный ток, как известно, не проводит через конденсатор — между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается и разряжается, в его цепи все-таки возникает кратковременный ток — заряды двигаются на обкладки (зарядный ток) или уходят с них (разрядный ток). Под действием переменного напряжения циклы заряд-разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора возникает переменный ток. Ток этот возрастает с увеличением частоты: чем выше частота, тем чаще двигаются заряды «туда-обратно», тем большее их количество проходит по цепи каждую секунду.

Есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С конденсатора, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор можно представить в виде некоторого условного резистора, обладающего емкостным сопротивлением x_с, от которого зависит величина тока. Само же x_с зависит от частоты f и емкости С. (Воспоминание № 13; формулы действительны только для переменного тока синусоидальной формы). Сопротивление x_с называют реактивным — оно не потребляет мощности, а лишь влияет на величину тока.

Предположим, что в плоскостном диоде емкость рn-перехода равна 100 пф. На частоте 100 килогерц (кгц) конденсатор такой емкости ведет себя как сопротивление 16 килоом (ком). Это сопротивление намного меньше обратного сопротивления диода и сильно шунтирует его. Образно говоря, собственная емкость диода совершает «предательство» (не забывайте про стр. 26!) — создает обходной путь, который фактически делает диод ненужным, неработающим элементом цепи.

Как видите, большой прямой ток плоскостных диодов покупается довольно дорогой ценой: предельная рабочая частота этих диодов обычно не превышает 10–20 кгц. Точечные диоды хорошо работают на частотах в десятки, сотни и даже тысячи мегагерц (Мгц). На высоких частотах емкостное сопротивление точечного диода оказывается весьма большим благодаря его небольшой собственной емкости (чем меньше емкость, тем больше емкостное сопротивление). И поэтому точечный диод практически не подвергается шунтирующему действию собственного конденсатора-«предателя».

Есть еще несколько параметров полупроводникового диода, с которыми нам необходимо познакомиться. Это обратный ток и прямое напряжение, а также предельная температура, которую терпит диод. Мы не стали включать эти параметры в таблицы, потому что для многих диодов они одинаковы и таблицы оказались бы заполненными множеством одинаковых цифр.

Так, например, все германиевые диоды работают при температуре не более +60 °C. Для кремниевых диодов верхняя температурная граница значительно выше — до +100 °C (часто указывают иные величины, а именно: +70 °C и + 150 °C).

Причиной гибели диодов при высокой температуре является уже знакомый тепловой пробой. Тепловая энергия увеличивает собственные колебания атомов, как бы расшатывает их, и в результате увеличивается число электронов, покидающих внешние орбиты. Поэтому с увеличением температуры в полупроводниковом диоде растет число неосновных (собственных) зарядов, а значит, уменьшается численное превосходство основных (примесных) зарядов, на котором, собственно говоря, и основана вся деятельность pn-перехода.

Посмотрите на рис. 21. Здесь показано, как меняется характеристика диода при его нагревании. Вы видите, что с ростом температуры резко увеличивается обратный ток — происходит это именно за счет увеличения собственной проводимости полупроводника. Постепенно дело доходит до того, что обратный ток становится равным прямому, рn-переход разрушается, наступает тепловой пробой.

Рис. 21. При нагревании диода увеличивается число собственных (неосновных) зарядов в полупроводнике, увеличивается обратный ток через рn-переход.

То, что у кремниевых диодов это происходит при более высокой температуре, можно объяснить (опять-таки очень упрощенно!) следующим образом. У кремния всего три орбиты, у германия — четыре. Поэтому в атоме кремния внешняя орбита находится ближе к ядру, электроны прочнее привязаны электрическими силами к ядру и нужна более высокая температура, более сильные тепловые колебания атома, чтобы выбросить электрон с его внешней орбиты.

Для того чтобы не перегреть полупроводниковый диод, не довести его до опасной граничной температуры, пользуются охлаждающими радиаторами, например медными, алюминиевыми или стальными пластинами. Роль радиатора может выполнять и металлическое шасси, на котором монтируется схема. Радиатор должен плотно прилегать к корпусу диода: лишь в этом случае диод хорошо передает ему свое тепло. Если же нужно, чтобы корпус диода (к нему подсоединена зона n, см. рис. 14) не имел электрического контакта с металлическим радиатором (чаще всего с шасси), то между диодом и радиатором помещают тонкую слюдяную прокладку.

Диоды большой и даже средней мощности без радиаторов вообще не используют, так как при этом у них очень резко, иногда в два-три раза, уменьшаются допустимый прямой ток I_пр-доп и допустимое обратное напряжение U_{обр-доп}. А плоскостные диоды малой мощности, для которых не нужны радиаторы, при монтаже стараются располагать так, чтобы обеспечивалось их хорошее охлаждение. Более того, даже при пайке выводов полупроводникового прибора нужно остерегаться его перегрева. Паять нужно быстро, аккуратно, предварительно зажав вывод пинцетом или плоскогубцами, которые в данном случае играют роль теплоотвода (рис. 22).

Рис. 22. Перегрев при пайке или превышение подводимой мощности может привести к гибели диода.

Влияние температуры на работу полупроводникового диода, а в дальнейшем и триода доставит нам еще немало хлопот, и мы еще не раз будем возвращаться к этой неприятной теме.

Прямое напряжение U_пр, при котором через диод проходит допустимый прямой ток I_пр-доп, так же как и обратный ток I_обр, соответствующий допустимому обратному напряжению U_{обр-доп}, — параметры также довольно близкие для больших групп диодов. Так, для плоскостных диодов прямое напряжение, как правило, составляет 0,3–0,5 в. Как видите, прямое напряжение у плоскостных диодов весьма мало. Несколько больше, но тоже невелико прямое напряжение U_пр у точечных диодов.

Обратный ток I_обр при напряжении U_{обр-доп} у плоскостных диодов обычно составляет 0,5–1,5 ма (то есть 500—1500 мка), а у точечных диодов 0,01—0,2 ма (10—200 мка). Во всех случаях обратный ток через диод даже при предельно допустимом обратном напряжении весьма мал. Во всяком случае, обратный ток всегда во много раз меньше прямого.

Зная токи и напряжения, легко подсчитать прямое и обратное сопротивление диода (R = U: I). Для плоскостных диодов прямое сопротивление обычно очень мало — оно составляет всего 0,1–3 ом (!), а обратное 50—500 ком или даже несколько Мом. Прямое сопротивление точечных диодов чаще всего лежит в пределах от 10 до 100 ом, обратное — от 1 до 10 Мом. Цифры эти полезно запомнить: в дальнейшем они позволят понять, что именно почувствует та или иная электрическая цепь при включении в нее диода.

У нас остался еще один неоплаченный долг — еще один вопрос, который возник при знакомстве с вольтамперной характеристикой диода (стр. 46): с чем связано появление двух изогнутых участков, двух загибов характеристики в районе нулевого напряжения? В поисках ответа нам придется еще раз внимательно посмотреть, что происходит в рn-переходе, причем не при прямом его включении и не при обратном, а в том случае, когда диод вообще никуда не включен, когда он предоставлен самому себе.

А действительно, как ведет себя рn-переход, когда к нему не приложено никакого напряжения? Начнем с того, что такого случая почти никогда не бывает. Даже если к рn-переходу не подключать батареи, то и в этом случае на нем будет действовать небольшое, если можно так сказать, «самодельное» напряжение. Чтобы пояснить, откуда оно берется, нам придется упомянуть еще об одном физическом явлении — о диффузии. С этим явлением, так же, скажем, как с возникновением примесной проводимости или с влиянием температуры на свойства полупроводника, мы будем довольно часто сталкиваться при знакомстве с полупроводниковыми триодами.

Если в каком-нибудь углу комнаты поставить банку с легко испаряющимся бензином, то его запах через некоторое время заполнит все помещение. Если в стакан чистой воды попадет капля туши, то пройдет несколько минут, и вся вода в стакане почернеет. Если в полупроводниковый кристалл насильно ввести некоторое количество свободных электронов, то вскоре они равномерно распределятся во всем объеме кристалла. Все три примера иллюстрируют хорошо известное физическое явление — диффузию.

Сущность ее состоит в том, что частицы — молекулы, атомы, электроны, — совершая свои обычные хаотические движения, постепенно передвигаются из районов с большой концентрацией в те районы, где этих частиц мало. Диффузия в том и состоит, что вещество старается распределиться равномерно в занимаемом объеме. Можно найти ей немало житейских аналогий, вспомнив, например, как люди равномерно размещаются на огромном пляже.

Диффузия наблюдается и в районе рn-перехода. Свободные электроны, сконцентрированные в зоне n, стремятся перейти в зону р, а дырки, наоборот, из зоны р направляются в зону n. Такое движение, казалось бы, должно продолжаться до тех пор, пока во всем кристалле концентрация дырок и электронов не станет одинаковой, пока не исчезнут зоны р и n. Однако этого не происходит. На борьбу с диффузией, которая хотела бы превратить диод в однородный кристалл, вступают могучие силы. Это электрические силы неподвижных зарядов — ионизированных атомов примеси (рис. 23).

Рис. 23. Силы диффузии стремятся ликвидировать рn-переход, равномерно «перемешать» свободные заряды в кристалле, однако этому препятствуют электрические силы неподвижных ионов.

Вы, конечно, не забыли, что дырки в зоне р, а свободные электроны в зоне n в нужных нам количествах появляются лишь после введения в полупроводник донорных или акцепторных примесей (рис. 14). Но атомы примеси, отдав свой электрон или, наоборот, забрав электрон у соседа, сами превращаются в неподвижные ионы. Атом донора (отдающий электрон) становится положительным ионом, атом акцептора (забирающий электрон) — отрицательным. Неподвижные ионы равномерно распределены по всему полупроводниковому кристаллу: положительные ионы в зоне n, отрицательные — в зоне р (рис. 12, 13).

Если бы каждая из этих зон существовала сама по себе, то неподвижных ионов никто бы и не заметил: их суммарный заряд компенсировался бы суммарным зарядом свободных зарядов, и в целом зона была бы нейтральной. Но в действительности в полупроводниковом диоде зоны с разной проводимостью примыкают друг к другу. И, как мы только что сказали, из пограничных районов происходит диффузия свободных зарядов в соседнюю зону. Это значит, что в пограничной зоне в районах, непосредственно примыкающих к рn-переходу, заряды неподвижных ионов остаются некомпенсированными.

В зоне р остается некомпенсированный неподвижный отрицательный заряд, в зоне n — положительный. Эти неподвижные заряды — заряды ионизированных атомов — как раз и не дают возможность диффузии равномерно разбросать, размазать свободные электроны и дырки по всему кристаллу.

Некоторые свободные электроны еще успевают незамеченными уйти из зоны n. Но чем больше электронов уходит, тем сильнее начинают действовать электрические силы неподвижных положительных ионов, которые удерживают убегающих. Более того, в союзе с положительными ионами зоны n действуют и неподвижные отрицательные ионы зоны р. Они как бы отталкивают прибывающие к ним электроны, возвращают их в зону n. Аналогично действуют неподвижные ионизированные атомы и в отношении убегающих из зоны р дырок. Остающиеся в этой зоне отрицательные ионы тянут эти дырки обратно, а положительные ионы зоны n отталкивают дырки к рn-переходу.

Обо всем этом можно сказать и иначе: оставшиеся нескомпенсированными неподвижные ионы пограничной полосы создают некоторое напряжение, «плюс» и «минус» которого приложены непосредственно к pn-переходу. Это напряжение, появившееся в результате первоначальной небольшой диффузии свободных носителей, направлено так, что не дает диффузия развернуться во всю свою мощь и сохраняет необходимую концентрацию свободных носителей в обеих зонах полупроводникового диода.

Когда к диоду прикладывают внешнее напряжение, вся картина постепенно меняется: меняется количество носителей, переходящих границу в результате диффузии, меняется количество носителей, переходящих границу под действием электрических сил. Да и сами эти электрические силы меняются — ведь теперь они являются результатом совместного действия батареи и собственного «самодельного» напряжения на pn-переходе. Не стремясь разобраться в тонкостях этих событий, мы отметим лишь две их особенности.

Если увеличивать от нуля прямое напряжение, приложенное к диоду, то вначале это напряжение в какой-то степени будет компенсироваться собственным напряжением pn-перехода (эти напряжения действуют друг против друга). В результате ток через диод будет нарастать сравнительно медленно, и в начале правой (положительной) ветви ной характеристики появится небольшой загиб.

При обратном включении диода собственное напряжение pn-перехода содействует, помогает внешнему напряжению (оба напряжения действуют в одну сторону). Пока внешнее напряжение мало, помощь эта весьма ощутима, и ток растет сравнительно быстро. Так появляется загиб в начале левой (отрицательной) ветви вольтамперной характеристики.

Мы рассказали о полупроводниковом диоде все. Разумеется, не все, что можно было, и даже не все, что хотелось. Мы рассказали о проводниковом диоде то, что нужно для облегчения знакомства с транзистором. И хотя путь к транзистору уже открыт, мы еще раз отклонимся от своей главной цели. Нужно до конца выполнить свой долг перед диодом: уделив так много внимания его устройству, характеристикам, параметрам, мы должны хотя бы коротко сказать о профессиях полупроводникового диода, о схемах, в которых он работает.