Выскочив на свободу, электрон превратил свой до этого нейтральный атом в положительный ион (Р-77;2) — раз в атоме не хватает электрона, значит, его суммарный положительный заряд больше отрицательного (Т-19). Такой атом сдвинуться с места не может, он прочно закреплен в кристаллической решетке. И долго, казалось бы, должен стоять на месте этот одинокий положительный ион, дожидаясь, пока какой-нибудь электрон-путешественник случайно наткнется на пустующее место во внешней орбите, вернет атом в состояние электрического равновесия.
И вот здесь на сцене появляется еще одно действующее лицо, которое так и хочется назвать электроном-перебежчиком. Это электрон из соседнего атома. Он быстро и легко перескакивает на пустующее рядом с ним место, превращает положительный ион в нейтральный атом, а свой собственный атом — в положительный ион. И если отвлечься от второстепенных подробностей, то можно считать, что произошло перемещение положительного иона, хотя все атомы и остались на месте.
Положительный заряд атома, который появляется из-за того, что на внешней орбите не хватает электрона, называют «дыркой». В полупроводниках дырки ведут себя подобно свободным электронам — они хаотически перемещаются по кристаллу, а под действием приложенного напряжения сразу же включаются в электрический ток, упорядоченно смещаются, но уже, конечно, от «плюса» к «минусу» (Р-77;2,6). Как принято говорить, дырки создают в полупроводнике р — проводимость (р — первая буква слова positivus — положительный; этим подчеркивается, что ток создают свободные положительные заряды, дырки).
В чистом, натуральном полупроводнике число свободных электронов и свободных дырок одинаково, в этих полупроводниках в равной мере существует электронная и дырочная проводимость. Но с помощью определенных примесей можно нарушить это равенство и создать полупроводники с сильным преобладанием электронной или дырочной проводимости, полупроводники n-типа и р-типа.
Т-129. Донорная примесь резко увеличивает число свободных электронов, создает n-проводимость. Алмазоподобные кристаллы отличаются весьма устойчивой структурой, в них трудно нарушить красивую симметричную систему межатомных связей. Образно говоря, в алмазоподобных кристаллах действует правило: «Структура важнее всего».
Представьте себе, что в расплавленный германий или кремний во время их кристаллизации вводят небольшое количество мышьяка, у атомов которого на внешней орбите пять электронов (Р-78;5). Атом мышьяка займет место в кристаллической решетке — а куда ему еще деваться! — но при этом он вынужден будет выбросить со своей внешней орбиты один электрон. Потому что алмазоподобная структура требует, чтобы каждый атом установил связь только с четырьмя соседями — структура важнее всего. Таким образом, с добавлением мышьяка в кристаллической решетке появится некоторое количество неподвижных положительных ионов — атомов мышьяка с недостающими электронами, а в межатомном пространстве при этом, естественно, появится такое же количество свободных электронов. Германий (кремний) превратится в полупроводник n-типа.
Мышьяк и другие примеси, благодаря которым в полупроводнике появляется заметное количество свободных электронов, называют донорами (дающими), имея в виду, что они как бы отдают полупроводнику свои электроны, создают в нем электронную проводимость.
Т-130. Акцепторная примесь резко увеличивает количество дырок, создает р-проводимость. А теперь добавим в германий или кремний некоторое количество индия, в атомах которого на внешней орбите всего три электрона (Р-78;6). Индий, как и мышьяк, займет место в кристаллической решетке, ему тоже больше некуда деваться. И индий тоже должен установить связь с четырьмя своими соседями. Поэтому при первой же возможности атом индия заберет у соседнего атома германия (кремния) один электрон, добавит к своим трем и превратится при этом в отрицательный ион. А атом германия, у которого индий увел электрон, станет обычной дыркой. Таким образом, с добавлением индия в германий (кремний) в нем появится некоторое количество неподвижных отрицательных ионов и такое же количество свободных положительных зарядов — дырок. Германий (кремний) станет полупроводником с р-проводимостью.
Индий и другие подобные примеси называют акцепторами (отбирающими), имея в виду, что они отбирают у атомов полупроводника электроны, превращают эти атомы в дырки, создают в полупроводнике дырочную проводимость.
Т-131. Полупроводниковый диод — прибор с двумя примыкающими зонами разной проводимости. На пути к транзистору мы познакомимся еще с одним полупроводниковым прибором — диодом. Это знакомство необходимое, даже неизбежное — транзистор, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода, соединенных в одном кристалле. И в то же время знакомство с диодом имеет и свое собственное важное значение. Полупроводниковый диод — прибор больших возможностей, он находит широкое применение в электронной аппаратуре.
Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла (Р-79;1,2): один с р-проводимостью (это зона р), другой — с n-проводимостью (это зона n). Фактически же полупроводниковый диод — это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона n), в другую — акцепторная (зона р).
К зоне р и к зоне n (иногда говорят не «зона», а «область») тем или иным способом присоединены проводники, выводы диода, с помощью которых он соединяется с внешним миром, включается в электрическую цепь.
Р-79
Т-132. Основной элемент всех полупроводниковых приборов — рn-переход, область соприкосновения зоны р и зоны n. Руководствуясь замечанием Т-8, забудем на время обо всем, что происходит в полупроводниках, и будем представлять себе вещество с n-проводимостью как некий объем, заполненный свободными электронами (на рисунках они условно обозначены белыми шариками), а вещество с р-проводимостью как объем с какими-то свободными положительными зарядами (на рисунках черные шарики). К подробностям будем обращаться лишь по мере необходимости. Например, для того, чтобы объяснить, почему свободные электроны и свободные дырки в диоде не устремляются навстречу друг другу, почему не происходит их взаимной нейтрализации.
Вспомните, что, помимо свободных зарядов, в полупроводниках с примесями имеются еще и неподвижные ионы — в зоне n это неподвижные положительные ионы донора, например мышьяка, в зоне р — неподвижные ионы акцептора, например индия. В нормальном состоянии полупроводник нейтрален, число свободных зарядов и неподвижных ионов, число «плюсов» и «минусов» в нем одинаково. Но как только первые электроны покинут зону n, она окажется наэлектризованной, в ней начнет действовать суммарный положительный заряд лишних ионов. И эти ионы начнут тянуть свободные электроны обратно, мешать их движению в сторону границы (Т-8). Точно так же отрицательные ионы будут мешать свободным дыркам уходить из зоны р. В итоге между зонами будет существовать пограничная линия, точнее, очень узкая пограничная зона, отделяющая область свободных положительных зарядов от области свободных электронов. Эта пограничная область называется рn-переход (звучит так — «пэ-эн-переход»). С событиями в рn-переходе связана работа всех полупроводниковых приборов, в частности диодов.
Т-133. Полупроводниковый диод пропускает ток в основном только в одну сторону. Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне n (Р-79;3), то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к рn-переходу (Т-8). Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.
Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне n, «минус» — к зоне р. Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы (Р-79;4), электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге рn-переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.
Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) — электронов, в зоне n и дырок в зоне р — в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов. (Т-128), и именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Неприятно то, что ток этот зависит от температуры — при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается и обратный ток растет (Р-79;4).
О событиях в полупроводниковом диоде рассказывает его основная характеристика — зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения (Р-80).
Р-80
На некоторые участки этой, как ее называют, вольт-амперной характеристики следует обратить внимание. Прежде всего мы видим, что на ее прямой ветви есть небольшой загиб, ступенька — в области малых напряжений (у германия примерно до 0,2 В, у кремния — до 0,6 В) прямой ток нарастает незначительно. Такой загиб характеристики появляется вследствие некоторых сложных процессов в рn-переходе, он может стать причиной нелинейных искажений сигнала (Т-114, Т-117).
В области обратных напряжений ток почти не меняется: все собственные неосновные носители сразу же включаются в движение, и обратный ток сразу достигает своей предельной величины.