§ 64. Полупроводниковые диоды и триоды

Выпрямление токов, а также усиление напряжений и мощностей можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, называемых полупроводниковыми (или кристаллическими) диодами и триодами. Полупроводниковые триоды называют также транзисторами.

Рис. 64.1.

Рис. 64.2.

Основным элементом полупроводниковых приборов является так называемый -переход. Он редставляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей). В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает -переход. Существуют и другие способы получения -переходов.

На рис. 64.1 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою.

В -области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси; акцепторы при этом становятся отрицательными ионами (рис. 64.2; большие кружки со знаком плюс или минус внутри — ионы, малые кружки — дырки, черные точки — электроны). Кроме того, в -области имеется небольшое число неосновных носителей — электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости (этот процесс немного увеличивает и число дырок). В -области основные носители тока — электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры при этом превращаются в положительные ионы); происходящий за счет теплового движения переход электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию небольшого числа дырок — неосновных носителей для этой области.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому -переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами (см. рис. 64.2). Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей.

Рис. 64.3.

Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис. 64.3).

Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал -области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал -области; соответственно потенциальная энергия электрона в -области больше, чем в -области.

Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона в направлении, перпендикулярном к переходу (см. сплошную кривую на рис. 64.4,а). Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше и наоборот (см. пунктирную кривую на рис. 64.4, а).

Рис. 64.4.

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток (рис. 64.4,а). Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Величина определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина напротив, сильно зависит от высоты барьера. Равновесие устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока компенсируют друг друга.

Подадим на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к -области, а минус — к -области (такое напряжение называется прямым). Это приведет к возрастанию потенциала (т. е. увеличению и уменьшению ) -области и понижению потенциала (т. е. уменьшению и увеличению ) -области (рис. 64.4,б). В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток возрастет. Ток же останется практически без изменений (он, как отмечалось, от высоты барьера почти не зависит). Следовав тельно, результирующий ток станет отличен от нуля. Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оно равно ).

При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, а следовательно, и результирующий ток, быстро нарастает. Таким образом, в направлении от -области к -области -переход пропускает ток, сила которого быстрс нарастает при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (или пропускным, или проходным).

На рис. 64.5 дана вольт-амперная характеристика -перехода. Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, сокращается.

Рис. 64.5.

Рис. 64.6.

Соответственно уменьшается и сопротивление перехода, причем тем сильнее, чем больше напряжение. Поэтому вольт-амперная характеристика, в пропускной области не является прямой (см. правую ветвь кривой на рис. 64.5),

Теперь приложим к кристаллу напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к -области, а минус — к -области (такое напряжение называется обратным). Это приведет к повышению потенциального барьера и соответственному уменьшению тока основных носителей (рис. 64.4,в). Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) быстро достигает насыщения (т. е. перестает зависеть от U) и становится равным Таким образом, в направлении от -области к -области (которое называется обратным или запорным) -переход пропускает слабый ток, целиком обусловленный неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода (см. левую ветвь на рис. 64.5). Каждый -переход характеризуется своим предельным значением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения.

Из рис. 64.5 следует, что -переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом.

Это объясняется тем, что поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения, «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастанию ширины переходного слоя, обедненного носителями. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода.

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлении позволяет использовать -переходы для выпрямления переменного тока. На рис. 64.6 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

Полупроводниковый триод, или транзистор, представляет собой кристалл с двумя -переходами. В зависимости от порядка, в котором чередуются области с разными типами проводимости различают n—p—n- и p—n—p-транзисторы.

Рис. 64.7.

Рис. 64.8.

Средняя часть транзистора называется его базой. Прилегающие к базе с обеих сторон области с иным, чем у нее, типом проводимости образуют эмиттер и коллектор.

Рассмотрим кратко принцип работы транзистора типа рис. 64.7 показана схема включения такого транзистора в цепь усилителя. На переход эмиттер — база подается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а на переход база — коллектор — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на небольшое входное сопротивление . Усиленное напряжение снимается с выходного сопротивления . При указанных на схеме знаках смещающих напряжений сопротивление перехода эмиттер — база невелико, сопротивление же перехода база — коллектор, напротив, очень велико. Это позволяет взять в качестве сопротивление большой величины.

На рис. 64.8, а показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в случае, когда смещающие напряжения и входной сигнал отсутствуют.

Подключение прямого напряжения понижает потенциальный барьер на первом переходе, а подключение обратного напряжения повышает потенциальный барьер на втором переходе (рис. 64.8, б). Протекание тока в цепи эмиттера сопровождается проникновением электронов в область базы. Проникшие в базу электроны диффундируют по направлению к коллектору. Если толщина базы небольшая, почти все электроны, не успев рекомбинировать, «скатываются» с потенциальной горки, находящейся на границе база — коллектор, и поступают в цепь коллектора.

Обусловленное входным напряжением изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению количества электронов, проникающих в коллектор, и, следовательно, к почти такому же изменению тока в цепи коллектора. Допустим, что Выразив эти токи через соответствующие напряжения и сопротивления, получим, что . Отсюда

Поскольку напряжение значительно превосходит входное напряжение . Таким образом, транзистор усиливает напряжения и мощности. Снимаемая с прибора повышенная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Принцип работы транзистора типа p—n—p аналогичен описанному выше принципу работы транзистора типа n—p—n. Отличие заключается лишь в том, что роль электронов играют дырки.