Главная -> Книги

(0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) ( 9 ) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (9)

а в том случае, когда диод вообще никуда не включен, когда он предоставлен самому себе.

А действительно, как ведет себя рп-переход, когда к нему не приложено никакого напряжения? Начнем с того, что такого случая почти никогда не бывает. Даже если к р/г-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 р/г-перехода. Свободные электроны, сконцентрированные в зоне п, стремятся перейти в зону р, а дырки, наоборот, из зоны р направляются в зону п. 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 п. 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).

Вы, конечно, не забыли, что дырки в зоне р, а свободные электроны в зоне п 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 превра-56


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

щаются 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 /г, 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 р/г-переходу, заряды неподвижных ионов остаются нескомпенсированнымн. В зоне р остается нескомпенсированный неподвижный отрицательный заряд, в зоне п - 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 п. 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 п действуют и неподвижные отрицательные ионы зоны р. Они как бы отталкивают прибывающие к ним электроны, возвращают их в зону п. 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 п отталкивают дырки к рп-переходу.

Обо всем этом можно сказать и иначе: оставшиеся неском-пенсированными неподвижные ионы пограничной полосы создают некоторое напряжение, «плюс» и «минус» которого приложены непосредственно к р/г-переходу. Это напряжение, появившееся в результате первоначальной небольшой диффузии свободных носителей, направлено так, что не дает диффузии 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 рп-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 рп-перехода (эти напряжения действуют друг против друга). В результате ток через диод будет нарастать сравнительно медленно, и в начале правой (положительной) ветви вольтамперной характеристики появится небольшой загиб.

При обратном включении диода собственное напряжение рп-перехода содействует, помогает внешнему напряжению (оба напряжения действуют в одну сторону). Пока внешнее напряжение мало, помощь эта весьма ощутима, и ток растет срав- нительно быстро. Так появляется загиб в начале левой (отрицательной) ветви вольтамперной характеристики. 58

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.

ПРИБОР СКРОМНЫХ ПРОФЕССИИ

Мы назвали полупроводниковый диод прибором скромных профессий - именно таким он представляется начинающим и не только начинающим радиолюбителям. Это представление, по-видимому, связано с тем, что чаще всего диод работает в схемах выпрямителей. Благодаря своей односторонней проводимости диод позволяет превратить переменный ток в постоянный, а этот постоянный ток идет на всякие вспомогательные нужды: для питания радиоламп и транзисторов, для зарядки аккумуляторов, для создания постоянных магнитные полей и т. п.

Иногда, правда, диоцу доверяют и более тонкую работу - детектирование радиосигналов. Но и здесь диод делает то же, что и в выпрямителе: пропускает ток только в одну сторону. Детектор - это тоже весьма скромная, не требующая особого образования профессия полупроводникового диода.

Однако если взглянуть на дело глубже, окажется, что диод всегда выполняет операцию исключительной важности: он меняет форму электрических сигналов, преобразует их спектр. Окажется, что диод является главным представителем нескольких важнейших для всей радиоэлектроники профессий, представителем огромной самостоятельной области - нелинейной радиоэлектроники.

Научившись описывать сигнал с помощью графика (рис. 3), мы сделали лишь полдела. Важно еще суметь точно (именно точно!) описать, чем один сигнал отличается от другого, в чем похожи, а в чем непохожи их графики. Один из способов такого точного описания был предложен больше ста лет назад, когда никакой радиоэлектроники не было и в помине. Французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье решил задачу в общем, так сказать, в абстрактном виде, и лишь через много лет предложенный им способ нашел применение во многих областях техники. В том числе и в оадиоэлектоонике.




Рис. 24. Сигнал сложной формы можно представить как сумму синусоидальных составляющих с разными частотами; набор составляющих, эквивалентный сложному сигналу, называется его спектром.

Представьте себе, что вам нужно с помощью карты измерить площадь какого-либо водоема, например Черного моря, В этом случае можно поступить так: разбить всю поверхность моря на квадраты, подсчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить. При этом на карте разместятся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов (рис. 24).

Подобным же образом для точного описания сложного сигнала можно представить его как сумму стандартных составляющих- сигналов с разными частотами и амплитудами, но обязательно с одинаковыми по форме графиками. Научившись разбивать сложный сигнал на простые стандартные составляющие (подобно тому как на карте мы разбили Черное море на составляющие стандартной формы - квадраты), можно будет довольно просто составить точное описание этого

сигнала. Нужно будет лишь назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут этот сложный сигнал.

В качестве стандартной составляющей для измерения поверхности моря мы выбрали квадрат, хотя могли выбрать прямоугольник, ромб, круг и множество других широкоизвестных и хорошо изученных фигур. Квадрат мы выбрали в основном потому, что измерить его площадь проще, чем площадь других фигур. Что касается стандартных составляющих, из которых лучше всего можно было бы составить сложный электрический сигнал, то выбирать эти составляющие нам не придется. Их уже давно выбрала и узаконила наука. Более того, эти составляющие выбраны самой природой. И эта честь оказана простейшим сигналам с синусоидальной формой графика.

Для того чтобы детально пояснить, почему именно синусоида была выбрана в качестве стандартной составляющей, нужно было бы написать отдельную и притом довольно большую книгу. Ми ограничимся лишь тем, что выскажем по этому поводу несколько «за».

Во-первых, синусоидальные колебания - это одна из простейших и наиболее естественных форм движения, подобно тому как квадрат или круг - простейшая геометрическая фигура. Графики многих природных процессов - световых и звуковых колебаний, колебаний маятника, движения волн и многих других - представляют собой синусоиды. Во-вторых, синусоида - это единственный график, скорость изменения которого представляет собой опять-таки синусоиду. Это значит, что если мы возьмем синусоидальный сигнал и посмотрим, как изменяется скорость его нарастания или убивания, а затем построим график изменения этой скорости, то опять получим синусоиду. Это очень важное качество, так как многие процессы в электрических цепях зависят не от самой величины тока или напряжения, а именно от скорости их изменения.

В качестве примера такой зависимости рассмотрим, разумеется упрощенно, как возникает ток в цепи слюдяного конденсатора под действием переменного напряжения.

Как известно, свободные заряды через диэлектрик, в данном случае через слюду, конденсатора пройти не могут. Но под действием приложенного напряжения несколько сдвигаются, деформируются электронные орбиты атомов слюды. Происходит некоторое небольшое движение электронов (оно называется током смещения), но без их выхода из атомов. В результате деформации орбит с одной стороны диэлектрика (именно с той стороны, куда сместились орбиты) появляется отрицательный заряд, а с другой стороны появляется положительный заряд. Эти заряды притягивают или отталкивают сво-



(0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) ( 9 ) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59)