"А": По этой же причине ионизированные доноры будут противодействовать дыркам области р приближаться к р-n-переходу! Ведь одноименные заряды отталкиваются!
"С": Но, кроме того, доноры n-области притягивают к р-n-переходу электроны из области р, в результате чего в районе самого р-n-перехода избытка дырок отнюдь не наблюдается. Можно сказать и иначе - дырки области р уходят от р-n-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 n 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-n-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-n-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 n. Тогда в области n 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 n 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 n.
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-n-переходы можно пропускать?
"С": Ну конечно! Кстати, р-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 Uобр, имеет участок параллельный оси ординат (рис. 11.3, а).
"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 - n-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-n-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).