Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Прямое напряжение Uпр, при котором через диод проходит допустимый прямой ток Iпр-доп, так же как и обратный ток Iобр, соответствующий допустимому обратному напряжению Uобр-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 Uпр у точечных диодов.

Обратный ток Iобр при напряжении Uобр-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.