2. Диод

Соединим полупроводник, легированный по типу р, с полупроводником, легированным по типу n: оба вещества являются проводниками, но каждое по-своему. В полупроводнике р-типа это связано с большим количеством дырок; в полупроводнике n-типа это связано с большим количеством свободных электронов. Такое соединение называют диодом, и теперь мы рассмотрим, как он работает в электрической цепи.

Прямое направление

Подключим к концам нашей установки батарею: сначала соединим «плюс» батарейки с полупроводником p-типа, а «минус» с полупроводником n-типа (➙ рис. 18.3.а).

Со стороны n-типа свободные электроны отталкиваются отрицательным полюсом батарейки и движутся в сторону p-типа. Там они заполняют дырки и снова становятся валентными электронами.

Со стороны p-типа валентные электроны могут переходить от дырки к дырке, притягиваемые положительным полюсом батарейки. В конце концов они выходят из проводника в электрический провод и движутся по нему до батареи.

Поскольку электроны уходят, на стороне p-типа образуются новые дырки: это компенсирует исчезновение дыр, занятых электронами, пришедшими со стороны n-типа. Аналогично со стороны n-типа отток свободных электронов к p-типу компенсирует приток свободных электронов от отрицательного полюса батарейки.

Мы видим, что диод позволяет беспрепятственное прохождение тока, когда батарея установлена в таком направлении. В этом случае говорят, что у диода прямое направление.

Рис. 18.3 – Принцип действия диода

Мы изобразили свободные электроны черными кружками, а дырки белыми. Условно принято, что направлением тока считается перемещение положительных зарядов, то есть это перемещение дыр (сплошные стрелки), а свободные электроны перемещаются в противоположном направлении (стрелки пунктиром).

(а) – положительный полюс батарейки соединен с полупроводником, легированным по типу p, а отрицательный – по типу n. Электроны, как и дырки, отталкиваются к стыку p-n в центре, где они перестраиваются. Потеря свободных электронов со стороны n компенсируется притоком электронов по проводу. Потеря дырок со стороны p компенсируется оттоком электронов в провод. В итоге движение электронов и дырок может продолжаться: ток сохраняется. Диод в прямом направлении.

(b) – отрицательный полюс батарейки соединен с полупроводником, легированным по типу p, а положительный – с n. Электроны, как и дырки, притягиваются за пределы диода, но при этом на стыке создается положительный заряд со стороны nи отрицательный со стороны p. Этот заряд создает силу, которая останавливает движение дырок и электронов: ток прекращается. Диод в запирающем направлении.

Запирающее направление

Изменим теперь направление батареи: «плюс» будет повернут к стороне n, а «минус» к стороне p (➙ рис. 18.3.b). Свободные со стороны n электроны на этот раз притягиваются положительным полюсом и движутся к внешней стороне диода. Таким образом, из-за оттока электронов ближе к центру образуется положительный заряд.

Между тем на стороне p очень мало свободных электронов: ни один свободный электрон не может прийти компенсировать созданный положительный заряд. Что касается валентных электронов, они могут перемещаться, только если рядом есть дырки, а поскольку со стороны n дырок очень мало, валентные электроны не могут туда прийти. Таким образом, на стыке p-n ток заблокирован.

Точно так же со стороны p валентные электроны перескакивают от дырки к дырке, пока не приблизятся к центру диода, отторгнутые отрицательным полюсом батареи: этот приток электронов создает в центре отрицательный заряд. Поскольку валентные электроны не могут уйти из этой зоны, покинув сторону n (как мы только что наблюдали), отрицательный заряд остается.

В итоге присутствие положительных и отрицательных зарядов в центре диода останавливает движение электронов, которое наметилось внутри диода.

Итак, если батарея расположена таким образом, на концах диода возникает напряжение («минус» со стороны p и «плюс» со стороны n), в то время как ток не может пройти по диоду (заряды заблокированы на стыке p-n). В этом случае говорят, что диод в запирающем направлении.

Диоды могут быть использованы для преобразования переменного тока в постоянный, благодаря тому что позволяют току двигаться только в одном направлении. Мы не будем останавливаться на этом: поскольку нашей целью является описание транзистора, мы не будем ничего усложнять.

3. Транзистор

Принцип усиления тока

Существуют разные виды транзисторов на базе полупроводников n– или p-типа. Мы сосредоточим внимание на биполярном транзисторе, который легче описать.

Такой транзистор состоит из трех полупроводников, расположенных друг за другом, разного типа легирования: первый n-типа, второй p-типа, третий n-типа (➙ рис. 18.4). Такой прибор называют транзистором n-p-n типа. Существуют также транзисторы p-n-p типа, принцип работы которых идентичен.

Левая часть (n) называется эмиттером, центральная часть (p) называется базой, правая часть (n) называется коллектором. Вся установка очень похожа на два диода, положенные валетом: диод n-p эмиттер-база с одной стороны и диод p-n база-коллектор с другой стороны.

Рис. 18.4 – Принцип действия биполярного транзистора

Перемещение свободных электронов (черные точки) показано пунктиром. Перемещение дырок (белые точки) показано сплошными стрелками.

(а) – движение зарядов начинается от присутствия батарейки. Удаляясь к внешней стороне транзистора, электроны коллектора должны были бы вызвать появление положительного заряда возле базы, тем самым блокировав движение.

Но здесь электроны, пришедшие от эмиттера, достигают коллектора, уравновешивая положительный заряд: ток может идти, несмотря на то, что правая часть транзистора находится в запирающем направлении (b). Чем сильнее ток i_B, тем больше электронов покидают базу по проводу: это притягивает больше электронов от эмиттера. Для каждого электрона, покидающего базу, β электроны эмиттера двигаются к коллектору, пока один из них не остановится на базе, компенсировав убывший электрон. Таким образом, ток коллектора i_C пропорционален току базы i_B и гораздо сильнее: i_C = βi_B. Ток i_B был усилен.

Теперь подключим две батарейки (➙ рис. 18.4.а) так, чтобы:

• диод эмиттер-база был в прямом направлении (плюс базы p и минус эмиттера n);

• диод база-коллектор был в запирающем направлении («плюс» коллектора n и «минус» базы p).

Со стороны прямого направления свободные электроны эмиттера стремятся достичь базы: ток проходит без проблем. С запирающей же стороны в коллекторе n появляется положительный заряд из-за утечки свободных электронов в сторону батареи. Если бы этот диод запирающего направления был один, положительный заряд со стороны n не мог бы быть переполнен, потому что ни один свободный электрон не мог бы прийти со стороны p.

Но здесь свободные электроны прибывают именно от эмиттера к базе: вместо того чтобы идти к проводу, соединенному с базой, они в основном продолжают путь к положительному заряду коллектора. Таким образом, внутри ток циркулирует от базы к коллектору благодаря свободным электронам, прибывшим от эмиттера.

В итоге очень малое число электронов, пришедших от эмиттера, выходят из транзистора через базу: большинство выходит через коллектор. Таким образом, ток в базе i_B очень слабый относительно тока в коллекторе i_C (➙ рис. 18.4.b).

Уточним: предположим, что мы пустим ток i_B. Каждый электрон базы, который проходит по проводу, создает положительный заряд внутри базы (нехватка электронов). Это притягивает электрон из эмиттера, но он вполне может пересечь базу и достичь коллектора, то есть не компенсируя положительный заряд базы. Понадобится, быть может, сто электронов, прежде чем один из них останется на базе и аннулирует положительный заряд. Таким образом, на каждый электрон, покидающий базу, приходится сто электронов, которые приходят в коллектор и выходят из транзистора таким способом: ток i_C в сто раз сильнее, чем вынужденный ток i_B.

Мы только что произвели усиление тока: ток коллектора прямо пропорционален вынужденному току базы. Отметим коэффициент пропорциональности β: i_C = βi_B.

β – ключевой параметр транзистора.

Усиление напряжения

Легко представить, что увеличение силы тока, вызванное транзистором, может превратиться в усиление напряжения с помощью сопротивления (напряжение пропорционально величине сопротивления).

В дальнейшем мы изобразим на схеме увеличение напряжения с помощью «коробки» (➙ рис. 18.5): появляются только входное вынужденное напряжение и выходное усиленное. Между ними двумя внутри коробки существует целый набор транзисторов и напряжений, позволяющих произвести желаемое усиление.

Отметим, что усиление напряжения не проходит без энергозатрат: чтобы транзистор работал, необходимо его питание с помощью генератора постоянного напряжения, что видно на рис. 18.4. Как и положено, в ходе этой операции никакой энергии не создается. Усиление сигнала может быть целью само себе, но транзистор существует не только для этого. В частности, он является составной частью основы компьютера, именно с него началась новая эра цифровых информационных технологий. В дальнейшем мы рассмотрим основной принцип преобразования сигнала в цифровую форму и преимущества этого.

Рис. 18.5 – Схематичное изображение усиления напряжения