Что такое р—п-переход?
“Спец”: Итак, пора, мой друг, пора. Поговори о ... полупроводниках. Потому что именно они лежат в основе большого количества таких непохожих ни внешне, ни по выполняемым функциям приборов.
“Аматор”: Ну, я же говорил Незнайкин о том, что полупроводники как бы занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами (диэлектриками) с точки зрения величины удельного сопротивления. И в то же время заметил, что в полупроводниках есть особенности, которые в свое время заставили исследователей сделать предположение об особом механизме проводимости. Этот механизм не характерен, например, для металлов...
“Спец”: Совершенно верно! Для таких, я бы сказал, основных видов полупроводников, как германий и кремний, характерным является существование регулярной кристаллической решетки (в том случае, когда мы говорим о монокристаллах), в которой определенное сочетание атомов повторяется в любом направлении. Это дает возможность рассматривать структуры т. н. элементарных ячеек кристаллической решетки. Для такой структуры характерно то, что каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, причем все они находятся друг от друга на одинаковых расстояниях или ЭКВИДИСТАНТНО. Соответственно ВСЕ четыре внешних электрона образуют и четыре ковалентные связи с четырьмя другими электронами, КАЖДЫЙ ИЗ КОТОРЫХ ПРИНАДЛЕЖИТ ОДНОМУ из ближайших эквидистантных атомов! Естественно, что атомы испытывают тепловое воздействие, в связи с чем некоторые ковалентные связи разрываются и один из электронов бывшей пары отправляется в путешествие по кристаллу.
“Незнайкин”: И часто такое происходит?
“Спец”: При комнатной температуре подобное нарушение ковалентной связи для германия, скажем, характерно таким соотношением: два электрона на 10 миллиардов атомов!
“Незнайкин”: И такое соотношение заслуживает того, чтобы о нем упоминать?
“Спец”: Даже более того! Ведь поскольку в одном грамме того же германия содержится 10 в 22 степени атомов, это значит, что в любой момент при комнатной температуре в нем содержится около 2x10 в 12 степени свободных электронов!
“А”: А ведь это уже кое-что в смысле тока!
“С”: Да, конечно! Но примите во внимание тот факт, что я вам сейчас рассказал о причине СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТИ полупроводника. Отметьте также, что я дважды подчеркнул, что это соотношение справедливо только при комнатной температуре! Поскольку повышение температуры повышает и собственную проводимость!
“Н”: А какая же еще проводимость может быть помимо собственной, вот чего я не могу понять?
“С”: Сейчас-сейчас! Во-первых, мы с самого начала несколько идеализировали картину. Поскольку жизнь (как наша, так и полупроводниковых кристаллов) проходит в реальном мире, то пусть в ничтожных количествах, но в самых чистых монокристаллах германия и кремния содержатся атомы примеси, то есть веществ, не являющихся ни германием и ни кремнием!
“А”: Я где-то читал, что количество примесных атомов в искусственно выращиваемых монокристаллах полупроводников исключительно невелико?!
“С”: Да, в германии, который употребляется в полупроводниковой технологии, количество примесных атомов должно быть не более одного на миллиард, а в кремнии еще меньше. Почти на два порядка.
“Н”: А зачем такая обалденная чистота?
“С”: Да по той причине, чтобы не оказывать существенное влияние на собственную проводимость! Поскольку самое интересное начинается тогда, когда в эти сверхчистые полупроводники искусственно добавляют или трехвалентные атомы индия, или пятивалентные атомы мышьяка. Давайте, к примеру, рассмотрим, что произойдет, если аккуратно внедрить в состав кристаллической решетки пятивалентный атом мышьяка (или сурьмы).
“Н”: Атом станет грязным!
“С”: Ничего подобного,-Незнайкин! Пятый валентный электрон не сможет образовать ковалентную связь, поскольку создать ее будет не с кем! Вокруг “нормальные” атомы германия (или кремния). Этот пятый электрон, фактически, остается свободным. Достаточно малейшего воздействия, чтобы он начал свое путешествие по кристаллу.
“Н”: Но в этом случае получается, что в таком полупроводнике будет ИЗБЫТОК электронов!
“С”: Это действительно так. Принято называть такие полупроводники — полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). На всякий случай запомним, что пятивалентные примеси называются ДОНОРАМИ, поскольку они обеспечивают избыток свободных электронов!
“А”: Но в состав атома внедряют и трехвалентные атомы индия. И вот здесь я что-то не совсем понимаю ситуацию! Ведь в этом случае имеющиеся у индия ТРИ валентных электрона образуют связи с тремя из четырех эквидистантных атомов. В этом случае, как мне представляется, один из атомов германия (либо кремния) не сможет пристроить один из четырех электронов и этот четвертый электрон, в свою очередь, оторвавшись, сможет блуждать по кристаллу! А значит, и в этом случае проводимость должна быть п!?
“С”: Я понял твои сомнения, дорогой Аматор! Виноваты в них, прежде всего, плохие популяризаторы. Они, почему-то забывают указать один существенный нюанс. Действительно, “лишний электрон”, как может по казаться, появляется у одного из атомов германия... Но Природа устроена очень интересно! Этот электрон не отправляется в путешествие по кристаллу! Он хитрым квантовым образом взаимодействует ... с атомом индия. А поскольку образовать ковалентную связь с электронами индия, как мы уже говорили, он не может (все валентные электроны индия уже заняты), то возникает своего рода “ловушка”, которая как бы “привязывает” этот “лишний” электрон. А в результате — в создании проводимости этот электрон не участвует!
“А”: Но атом германия (или кремния), “потерявший” таким образом один из своих электронов становится электроположительным?
“С”: Ну конечно! У него образуется незаполненная ковалентная связь, которая ВСЕГДА готова принять свободный электрон. И она его принимает ... от соседнего атома германия (либо кремния)! Вот почему эту вакансию или брешь в физике полупроводников почетно именуют ДЫРКА! А теперь обратите внимание на рис. 11.1, который показывает фазы ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, когда к полупроводнику р-типа (positive — положительный) приложено напряжение.
“А”: Пожалуй, я попробую рассказать о динамике изображенного процесса. В полупроводнике р- типа дырка, представляющая собой положительный заряд, перемещается от положительного полюса к отрицательному. На предложенных рисунках рассматриваются последовательные фазы этого процесса. В последнем из рисунков, электрон, поступивший от источника тока, заполняет ближайшую к отрицательному полюсу дырку. Одновременно с этим, другой электрон покидает ближайший к положительному полюсу атом. На месте этого электрона возникает новая “дырка”! Ну и так далее!
“С”: А что еще можно сказать по этому поводу?
“А”: Разве что отметить тот интересный факт, что когда электроны, в полном соответствии с физикой, перемещаются внутри кристалла к положительному полюсу, дырки перемещаются к ... отрицательному!
“С”: И делают это так, как будто они являются РЕАЛЬНЫМИ частицами с положительным зарядом!
“Н”: Только теперь до меня дошло, почему раньше вместо ясного и четкого выражения “движение электрона”, Аматор часто употреблял выражение — “носитель электрического заряда”.
“А”: Слава Богу, Незнайкин, слава Богу! Но, дорогой Спец, разъясните нам понятнее, что такое р—п-переход?
“С”: Давайте проделаем мысленный эксперимент. Но еще прежде уясним себе, что именно на физических свойствах контактов между полупроводниками р-типа и n-типа, а также на контактах металл—полупроводник базируются принципы действия подавляющего большинства современных электронных элементов. Так вот, на границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками возникают ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ. А сама зона разграничения носит название Р—N-ПЕРЕХОДА. Информация к размышлению — его толщина порядка 0,3 микрона и меньше.
“Н”: И эти различные области взаимодействуют между собой?
“С”: И еще как! Во-первых, отрицательно ионизированные акцепторы оттолкнут от р—п-перехода свободные электроны области п (см. рис. 11.2)!
“А”: По этой же причине ионизированные доноры будут противодействовать дыркам области р приближаться к р—п-переходу! Ведь одноименные заряды отталкиваются!
“С”: Но, кроме того, доноры n-области притягивают к р—п- переходу электроны из области р, в результате чего в районе самого р—п-перехода избытка дырок отнюдь не наблюдается. Можно сказать и иначе — дырки области р уходят от р—п-перехода!
“А”: Иными словами, в прилегающем к р—n-переходу объеме области р все акцепторы будут заполнены, то есть ионизированы отрицательно. Точно так же в области п все доноры вблизи перехода потеряют по электрону. И станут положительно заряженными ионами.
“С”: В то же время свободные носители электрического заряда (электроны и дырки) в районе перехода ОТСУТСТВУЮТ! Следовательно, р—п-переход превращается в некий БАРЬЕР между двумя областями, из которых одна имеет положительный, а другая — отрицательный потенциал.
Иначе говоря, образуется ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР! И при всем при том кристалл, в целом, все равно остается электронейтральным.
“А”: А значит, подавая на подобный р—п-переход внешнее напряжение мы получим (в зависимости от полярности) два совершенно различных случая.
“Н”: Почему различных?
“А”: А ты подумай! Порассуждай, Незнайкин! Это полезное занятие!
“Н”: Ну, если ты так просишь!... Пусть положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный — с п. Тогда в области п свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими от источника напряжения. Они пересекут р—n-переход и начнут заполнять дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу...
“С”: Можем сказать, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон всякий раз, когда другой электрон преодолеет переход, проникнув из области п в область р. Электрон, притянутый источником, создает дырку. Которая заполнится тем электроном, который будет ближе к переходу. На его месте, в свою очередь, возникнет новая дырка. Она будет перемещаться в сторону перехода, пока не будет заполнена там новым электроном, проникшем из области п. Таким образом, через р—n-переход БУДЕТ ТЕЧЬ ТОК!
“Н”: Ну, а если приложить напряжение другой полярности?
“А”: В этом случае электроны отрицательного полюса источника напряжения притянут дырки области р еще ближе к периферийной области кристалла полупроводника. А к противоположному концу кристалла положи тельный полюс источника притянет свободные электроны. При этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать р—n-переход. Величина потенциального барьера возрастет. НИКАКОГО ТОКА НЕ БУДЕТ!
“С”: Почти верно! Очень малый ОБРАТНЫЙ ТОК проходить будет. Его причина кроется в том, что исходный германий (или кремний) имели остаточные, неконтролируемые примеси. Вот их-то электроны и “повинны” в наличии обратных токов.
“Н”: Вот мы и получили детектор! А большие токи через р—п-переходы можно пропускать?
“С”: Ну конечно! Кстати, p—n-переход называют полупроводниковым ДИОДОМ. Они бывают германиевые, кремниевые и из иных полупроводниковых материалов.
“Н”: Каких это иных? Разве есть еще и другие полупроводники, кроме германия и кремния?
“С”: Да. И довольно много! Но уже не в виде отдельных химических элементов, а в виде многоэлементных сложных структур. Но мы их вниманием тоже не обойдем, не беспокойся!
“Н”: Я понял так, что диоды могут и детектировать слабые сигналы, и выпрямлять огромные токи.
“С”: Это настолько же верно, насколько и неполно! “Н”: В каком смысле?
“А”: Прежде всего, в том, что функции диодов совершенно не исчерпываются функциями детектирования и выпрямления. Более того, имеется значительное количество различных типов диодов, которые НИКОГДА не используются в качестве выпрямителей или детекторов! Тем не менее современная электроника без них обойтись не в состоянии. Не так ли, дорогой Спец?:
“С”: Совершенно с вами согласен. Об этом и поведем разговор. Но, прежде чем это сделать, приведем вольт-амперную характеристику (ВАХ) для кремниевого диода малой мощности. Обратите внимание, что обратная ветвь характеристики при достижении некоторого Uo6i,'имеет участок параллельный оси ординат (рис. 11.3, д)
“Н”: Чудеса, да и только! Это что же выходит? При одном и том же напряжении ток может изменяться вдвое?
“А”: Ну почему вдвое? А в пять, в десять раз при том же напряжении не хочешь?
“Н”: Минуточку, а как же тогда быть с законом Ома?...
“С”: Твой вопрос, Незнайкин, не застал меня врасплох! Но прошу внимательно взглянуть на рис. 11.3, б...
“А”: На обратной ветви я вижу ДВЕ кривые!
“С”: Да. И они соответствуют двум различным видам (механизмам) ПРОБОЯ р—n-перехода. Первый — это так называемый ЛАВИННЫЙ пробой (кривая 1). Второй — ТЕПЛОВОЙ пробой. Сразу оговорю, что если судьба какого-либо диода пошла по кривой 2, то единственное, что здесь можно сделать — это как можно быстрее выпаять его из схемы и сдать на металлолом! Поскольку это означает тепловое разрушение кристалла и, естественно, расплавление р—п-перехода!
“А”: А если карты выпадут так, что ВАХ пойдет по кривой 1 ?
“С”: Тогда все не так страшно! Как вообще проявляет себя пробой р—п-перехода? Он проявляется, прежде всего, в резком увеличении тока, протекающего в обратном направлении. Это бывает при достижении определенного КРИТИЧЕСКОГО значения ОБРАТНОГО напряжения. Если подходить очень строго, то существуют три вида пробоя перехода: лавинный, туннельный и тепловой. Просто в силу ряда причин практического характера мы оставляем пока без рассмотрения туннельный пробой...
“Н”: Ну, а лавинный и тепловой?
“С”: А вот о них поговорим обязательно! В основе механизма лавинного пробоя лежит явление лавинного размножения подвижных носителей электрического заряда в сильном электрическом поле р—n-перехода! То есть электрон и дырка, ускоренные электрическим полем, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника, в результате чего образуется новая электронно-дырочная пара. Которая тоже ускоряется под воздействием электрического поля. В результате этой УДАРНОЙ ионизации развивается ЛАВИНА подвижных носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока.
“А”: Но ведь ток во внешней цепи регулируют резистором?
“С”: Да, вот именно! В отличие от чисто теплового пробоя...
“Н”: А как используется лавинный пробой?
“С”: Взгляни еще раз на нижний рисунок. А именно, сравни между собой точки кривой 1 — “А” и “Б”. Что ты видишь?
“Н”: Только то, что значения напряжения для точек “А” и “Б” практически одинаковы, а ток через них, между тем, проходит совершенно различный!
“С”: Ну вот тебе и чисто практическое применение эффекта — СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ! Чтобы было понятнее, я изобразил здесь простейшую схему параметрического стабилизатора напряжения (рис. 11.4). В зависимости от типа СТАБИЛИТРОНА (а именно так называются полупроводниковые диоды, в которых используется участок А—Б обратной ветви характеристики) мы выбираем исходную величину напряжения стабилизации, которая более всего подходит нам в каждом конкретном случае.
“Н”: И это могут быть любые напряжения?
“А”: Не совсем, Незнайкин! Есть некий стандартный ряд. Вот, например, для стабилитронов общего применения: 3,3 вольта; 3,9 В; 4,7 В; 5,6 В; 6,8 В; 7,5 В; 8,2 В; 9,1 В; 10 В и т.д.
“С”: Ты, очевидно, имеешь в виду серию КС133, КС147, КС156, КС168 и все такое прочее? Да, действительно, эти миниатюрные стабилитроны неплохо зарекомендовали себя в работе. Как и двуханодные стабилитроны типа КС162, КС175, КС182, КС191 и т.д.
“Н”: И как вы все это запоминаете?...
“С”: Привычка — вторая натура! А вообще я предлагаю собравшимся, поскольку мы занимаемся рассмотрением конкретных элементов электронных схем, завести своего рода самодельный справочник, куда с этих пор будем заносить типы и технические характеристики (хотя бы основные) компонентов, которые предполагается использовать при разработке нашего приемника.
“А”: Принято!... Но давайте закончим рассмотрение схемы простейшего стабилизатора. Пусть это будет КС 168, напряжение стабилизации которого равно — 6,8 вольта...
“Н”: Следует ли это понимать так, что в самом названии типа стабилитрона уже содержится указание на величину стабилизируемого напряжения?
“А”: Безусловно! Например, КС133 предназначен для стабилизации, при мерно, 3,3 вольта. КС156 — 5,6 вольта.
“С”: Итак... для рассматриваемого КС 168, точка “А” — минимальный ток стабилитрона.
Тогда точка “Б” соответствует максимальному току через стабилитрон. Пусть в таком случае :
Iмин = 3 ма, I макс= 20 ма.
Произведем следующий расчет...
“Н”: Но я не получил еще никакого ответа на свой вопрос о применимости закона Ома!
“С”: Это весьма философский вопрос!... Если утверждать, что закон Ома констатирует только тот факт, что при увеличении тока через резистор R вдвое (или втрое, вчетверо и т.д.), падение напряжения на нем также возрастет вдвое (или втрое, вчетверо...), то тогда мы просто вынуждены отметить для случая стабилитрона, что ДА, Закон Ома в данном случае НЕ СОБЛЮДАЕТСЯ!
Но если принять ту точку зрения, что зависимость напряжения от тока (или тока от напряжения) может быть, в принципе, ЛЮБОЙ, даже ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, вообще какой угодно ... тогда, вопреки здравому смыслу, мы можем сказать — да здравствует Закон Ома!
Но в среде электронщиков, особенно при рассмотрении характеристик и параметров современных компонентов, второе утверждение всуе и вслух произносить не принято!..
“А”: Спасибо за науку! А как же выражаться при работе со стабилитронами?
“С”: Исключительно вежливо! Понятие СОПРОТИВЛЕНИЕ по отношению к стабилитрону абсолютно не звучит! Поэтому стабилитроны характеризуются таким понятием, как ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Рассмотрим уже знакомый нам участок А— Б. Теперь дадим определение дифференциального сопротивления:
Rдифф = D U / D I
Легко найти, что, например, для КС 168 Кдифф = 20 Ом!
“А”: А теперь вернемся к схемке стабилизации. Пусть напряжение питания U = 15 В, Uст = 6,8 В, Rorp = 510 Ом. А вот rh может быть различным. Пусть rh = 680 Ом, RH2 = 4 КОм
А теперь посмотрим, что будет происходить в схеме.
I| = I2 + I3; U= 15 -6,8 = 8,2 В.
Тогда:
11 = 16 мА. I3 - 6,8/RHl = 6800/680 = 10 мА.
Откуда:
I2= 16- 10 = 6мА.
В этом случае ток через стабилитрон равен 6 мА. Подставим значение RH2.
Тогда:
I1 = 16 мА; I3 = 1,7 мА.
Откуда:
I2= 16- 1,7= 14,3 мА.
В этом случае ток через стабилитрон равен 14,3 миллиампер.
“Н”: Я понял! Если бы не стабилитрон, напряжение в точке а изменялось бы в довольно широких пределах, при варьировании величины rh! A применение стабилитрона позволяет сделать напряжение в этой точке НЕЗАВИСИМЫМ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ!
“А”: Умница! Более того, напряжение в точке а НЕ ЗАВИСИТ ОТ величины U!
“С”: В достаточно широких пределах это, действительно, так. Вот вам пример того, что диод может быть применен вовсе не для выпрямления или детектирования!
“А”: Но это ведь не единственный пример?
“С”: Ну, безусловно! Вот еще один, кстати более чем просто актуальный для нашей разработки. Ты, дорогой Аматор, помнится, волновался о том, куда мы поместим трехсекционный конденсатор переменной емкости, необходимый для настройки?
Не волнуйся! Никаких конденсаторов переменной емкости в нашем приемнике не предвидится! Вместо них в современной аппаратуре применяются особые диоды, так называемые ВАРИКАПЫ или ВАРАКТОРЫ. Варикап — это диод, емкость которого изменяется в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. Возможность замены механических систем настройки электронными позволяет:
а) произвольно увеличивать количество одновременно перестраиваемых контуров; б) располагать варикапы непосредственно около контурных катушек; что резко уменьшает конструктивные емкостные связи между каскадами; в) полностью избавиться от микрофонного эффекта; г) создавать приемники с автоматическим поиском станций без использования громоздких механических узлов. “А”: Так ведь и габариты не сравнить!
“С”: И это верно... Вообще перечислять достоинства варикапов и их возможности дело благодарное, но хлопотное! Рассмотрим, вкратце, принципы работы варикапа. Его (варикапа) емкость изменяется в зависимости от ширины запорного слоя. Это часть объема кристалла, свободная от подвижных зарядов и расположенная между р- и п-областями. Ширина запорного слоя зависит от величины напряжения обратного смещения, подаваемого на диод, что ведет к изменению его емкости.
Зависимость емкости запорного слоя кремниевых варикапов от напряжения смещения определяется соотношением:
где С — емкость, пФ; К — постоянная величина; Еупр — внешнее управляющее напряжение, приложенное к переходу; U0 — контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8—0,9 вольта; п — 0,45.
“А”: А как в таком случае подсчитать коэффициент перекрытия варикапа по емкости?
“С”: Да вот, хотя бы по этой формуле:
Далее, в нашем небольшом, но заботливо и со вкусом пополняемом справочнике мы приведем конкретные типы варикапов, их параметры и рекомендуемые варианты применения. Но следует обязательно отметить, что в рабочем диапазоне частот варикапа имеется область, в которой с ростом частоты ВОЗРАСТАЕТ его добротность!
Это уникальный момент, который не имеет аналога в конденсаторах переменной емкости!
“Н”: А вы можете привести еще примеры недетекторного использования диодов?
“С”: Да сколько угодно! Вот один из примеров... На структурной схеме нашего будущего приемника показан АТТЕНЮАТОР. Так вот, есть очень своеобразные диоды, которые используются в ВЧ-аттенюаторах в качестве РЕГУЛИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА!
“А”: Что, прямо в ВЧ-тракте!? И они не искажают сигнал?
“С”: Эти специальные кремниевые диоды имеют, так называемую, р—i— n-структуру. Малое сопротивление р—i—n-диода в открытом состоянии позволяет включать его между входным контуром и входом УВЧ в качестве регулируемого аттенюатора без существенного увеличения коэффициента шума.
Поэтому в области частот КВ-диапазона р—i—n-диод можно рассматривать, как эквивалент переменного резистора.
p—i—n-диод отличается от обычного диода с р—n-переходом тем, что между областями с проводимостью Р и N находится слой полупроводникового материала, характеризующегося собственной проводимостью, так называемый i-слой (intrinsic — собственный, внутренний). Этот слой имеет очень малое содержание примесей и поэтому обладает большим удельным сопротивлением. При нулевом смещении объемное сопротивление слоя с собственной проводимостью составляет обычно 7—10 КОм.
Изменение величины объемного сопротивления в зависимости от ИЗМЕНЕНИЯ ПРЯМОГО ТОКА описывается формулой:
“А”: Я не знал о существовании подобных компонентов, потому что в отечественной бытовой аппаратуре они мне еще не встречались.
“С”: Ничего удивительного! А если при этом учесть, сколько видов диодов мы вообще исключили из рассмотрения...
Туннельные, обращенные, переключательные, IMPATT, TRAPPAT... Динисторы, стабисторы, магнитодиоды и прочая, и прочая...
“Н”: А почему исключили?
“С”: По единственной причине — они не будут применены в схеме нашего приемника! Но, друзья мои, осталось еще несколько разновидностей диодов, которые мы рассмотрим при нашей следующей встрече. И без которых мы действительно не сможем обойтись!
“Спец”: Итак, вопрос в принципе решен, я полагаю? “Аматор”: Да, безусловно! “Незнайкин”: И я так считаю!...
“А”: Хотя выбор окончательного варианта структурной схемы еще не произведен!
>
