Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Мои дорогие друзья, вы сделали почти полный обзор различных радиотехнических схем на лампах. Единственное, что вы не рассмотрели, это частотную модуляцию. Я полагаю, что позднее мы изучим и это. Теперь пора приступить к обширной области полупроводниковых приборов.

Преимущество этих приборов в первую очередь в том, что они работают при напряжениях значительно более низких, чем лампы. На анод ламп необходимо подавать напряжение 100 В и более. Транзистор же довольствуется напряжением ниже 10 В, которое он получает от небольшой батареи. Еще более важно то, что транзистор не требует накала, столь необходимого для ламп.

По сравнению с лампами полупроводниковые приборы обладают высокой надежностью: срок их службы значительно больше.

Транзисторы также не столь прожорливы по сравнению с лампами: они довольствуются мощностью в сотню раз меньше той, которую потребляют электронные лампы.

И наконец, использование полупроводников позволило осуществить миниатюризацию и, я бы сказал даже, микроминиатюризацию электронного оборудования. В самом деле, объем транзисторов и других полупроводниковых приборов можно сделать очень маленьким. Стало возможным создание интегральных схем, представляющих собой комбинацию нескольких полупроводниковых приборов с резисторами и конденсаторами, где каждый из этих элементов имеет микроскопические размеры.

О микроэлектронике мы поговорим позднее. Сегодня же я хочу изложить тебе основы полупроводниковой электроники. Я надеюсь, Незнайкин, что ты ничего не забыл из моих объяснений о строении вещества. Я напомню тебе, что атом нейтрален, когда он имеет электронов столько же, сколько и протонов. Если количество электронов больше количества протонов, то он отрицательный. При обратном соотношении атом положительный.

Перемещаться могут лишь те электроны, которые находятся на внешней оболочке атома. Если эта оболочка в нормальных условиях содержит меньше четырех электронов, то они способны покинуть ее; в частности, их могут увлечь другие атомы, заряженные положительно. Поэтому вещества, атомы которых имеют на внешней оболочке меньше четырех электронов, представляют собой проводники. Высвобожденные электроны и образуют электрический ток.

Когда электрон покидает нейтральный атом, последний ионизируется положительно. Если внешняя оболочка содержит более четырех электронов, то они упорно отказываются ее покинуть. Вещество, не располагающее свободными электронами, представляет собой диэлектрик.

Наконец, существуют такие вещества, как кремний или германий, атомы которых имеют на внешней оболочке по четыре электрона. Это и не проводники, и не диэлектрики; такие вещества называют полупроводниками. Это название хорошо оправдано удельным электрическим сопротивлением этих веществ. Я напомню тебе, что этот термин обозначает сопротивление кубика вещества с ребром длиной 1 см.

Удельное электрическое сопротивление проводников составляет (1 — 100)·10^-6 Ом. У полупроводников этот показатель находится в пределах от 0,01 до 1000 Ом, а у диэлектриков — от 10 до 10⁶ МОм (удельное электрическое сопротивление кварца). Как видишь, полупроводники занимают место между проводниками и диэлектриками.

На чем основана собственная проводимость полупроводников? Очень просто, на тепловом движении их атомов. Молекулы находятся в беспорядочном движении, которое по мере повышения температуры усиливается. Так, в германии при температуре окружающей среды + 22 °C под воздействием движения молекул освобождаются два электрона на один миллиард атомов. Это, разумеется, не очень много, но вспомни, что 1 мг германия содержит 10²⁶ атомов. Это означает, что в этом количестве содержится два миллиарда свободных электронов, создающих очень слабый ток, имеющий величину 10^-9 А. С повышением температуры полупроводника этот ток усиливается. Этого, однако, следует избегать, потому что, как сейчас увидим, в полупроводниковых приборах используется не собственная проводимость, создаваемая тепловым движением. И в этом кроется причина более частого использования кремния, который менее германия чувствителен к повышению температуры: удельное электрическое сопротивление кремния изменяется значительно меньше, чем у германия.

Можно также повысить проводимость полупроводников, подвергая их атомы воздействию фотонов. Что такое фотон? Это частица света. По теории Луи де Бройля, световые лучи состоят одновременно из этих частиц и электромагнитных волн. Направь свет на пластинку селена и ты увидишь, что удельное электрическое сопротивление этого полупроводника снизится. Происходит это потому, что фотоны, сталкиваясь с атомами, вырывают периферийные электроны и делают их свободными, что вызывает движение электрического тока.

Так устроены фоторезисторы, служащие для преобразования световых колебаний в электрические сигналы. На их основе были созданы первые устройства для передачи изображений. Впоследствии удалось получать свободные электроны, выбивая их ударами фотонов с поверхности полупроводников, в частности кадмия. На этом принципе основаны фотоэлементы: полупроводниковые элементы помещают в вакуум, и высвобожденные электроны притягиваются с помощью положительного электрода (рис. 117). Эта конструкция, очевидно, напоминает тебе устройство диода.

Рис. 117. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, состоящий из светочувствительного полупроводника р и электрода А, которому сообщен положительный потенциал.

Однако при использовании полупроводников главную роль играет не тепловое движение и не фотоэлектрический эффект, а наличие некоторых примесей. Очень малые количества инородных веществ, например 1 атом примеси на 10 миллионов собственных атомов полупроводников, полностью изменяют поведение последних.

Рассмотрим случай с пятивалентными примесями, т. е. состоящими из атомов, у которых на внешней оболочке имеется пять электронов. К этой группе, в частности, относятся мышьяк и сурьма. Вспомни кристаллическую структуру полупроводников, где каждый из четырех периферийных электронов устанавливает связь с соседними атомами. Наличие одного постороннего атома с пятью периферийными электронами разрушает безупречный порядок структуры (рис. 118). Четыре электрона вступают в валентные связи с соседними атомами.

Рис. 118. В кристаллической структуре, состоящей из атомов с четырьмя электронами, присутствует посторонний атом с пятью электронами.

А что станет делать пятый? Так вот, он становится свободным. Атом с таким электроном рассматривается как донор. А полупроводник считается типом n, т. е. отрицательным. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то положительный полюс притянет свободные электроны и через полупроводник потечет ток. При этом отрицательный полюс источника будет отдавать электроны.

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.

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.

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.

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.

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.

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.