Транзистор?.. Это очень просто!

Айсберг Евгений Давыдович

Книга содержит четырнадцать занимательных бесед, написанных в форме разговора между двумя действующими лицами.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

 

Предисловие к русскому изданию

Эта книга относится к серии популярных изданий Е. Айсберга, вышедших во Франции под названием «…Это очень просто!» Она написана в таком же стиле, как и другие его книги: «Радио?.. Это очень просто!», «Телевидение?.. Это очень просто!», «Радио и телевидение?.. Это очень просто!», уже знакомые нашим читателям. Как и в предыдущих книгах, редакция старалась сохранить своеобразие французского издания, формат книги и манеру верстки.

Книга знакомит читателей с важной областью электроники — полупроводниковыми приборами, нашедшими в настоящее время широкое применение.

Сложные физические процессы в полупроводниках изложены автором в весьма доступной форме для читателя, не имеющего специальной подготовки.

Книга посвящена транзисторам — наиболее важным из полупроводниковых приборов. Она поможет радиолюбителю понять принципы их действия, познакомит его с использованием транзисторов в различных схемах и в конечном счете позволит читателю вести практическую работу с транзисторами.

В четвертое издание книги внесены некоторые изменения и исправления в соответствии с ЕСКД.

Отзывы о книге просим направлять по адресу: 113114 Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, издательство «Энергия», редакция Массовой радиобиблиотеки.

Редакция Массовой радиобиблиотеки

 

Предисловие автора

Как спокойно следили мы за мирной эволюцией радиотехники, пока в один из дней 1948 г. появление транзистора не изменило все наши представления.

Это была революция… За несколько лет полупроводниковые приборы завоевали основные области радиоэлектроники. Наряду с классической, привычной для «лампистов» техникой возникла другая, совершенно новая. Многим радистам было трудно освоить новые понятия и прочувствовать особенности, свойственные кристаллическим приборам.

Существует много прекрасных, написанных на высоком техническом уровне работ о транзисторах; однако их чтение требует основательных знаний математики и физики твердого тела, усвоить которые довольно трудно. Но в магазинах редко найдешь хорошие книги, предназначенные для радистов-практиков, желающих проникнуть в мир транзисторов, понять происходящие в них физические явления и без затруднений разобраться в современных схемах, где используются эти «трехлапые создания».

Вот почему мы попытались написать книгу, предназначенную для тех, кто уже владеет основами радиотехники (пусть даже это будет на уровне книги «Радио?.. Это очень просто!») и желает освоить особенности транзисторной техники.

Задача эта совсем не из легких. Транзистор выявляет совершенно иные, чем электронная лампа, и не менее сложные проблемы. Взаимозависимость всех его параметров, малое входное сопротивление, сильное влияние температуры и много других препятствий стоят на пути к овладению новой техникой.

Вот почему по первоначальному замыслу книга должна была называться «Транзистор?.. Ну, это не так просто!» (в одном из первых абзацев высказывается именно такая идея). Однако по мере написания книги двум нашим друзьям Любознайкину и Незнайкину удалось убедить нас, что их взгляд на эти вещи не столь сложен. С этого момента стало логично дать книге название, подобное названиям других наших книг о радио и телевидении.

Значит ли это, что содержание следующих за предисловием страниц будет усвоено без каких бы то ни было усилий? Разумеется, нет. Читатель должен будет призвать на помощь все свое внимание и продолжать чтение книги только после того, как освоит основные понятия. И пусть юмор и некоторая легкомысленность рисунков на полях не создают иллюзию чрезвычайной легкости. Эти рисунки помогают полнее понять текст и приносят некоторую разрядку, педагогическую ценность которой нам трудно оценить. Но для приобретения знаний необходимо работать, работать и работать усидчиво, прилежно и, что самое главное, регулярно.

Некоторые найдут в нашей книге то, что они уже знают, как, например, построение нагрузочной прямой или наилучшие условия передачи мощности. Тем лучше для них. Другим же, наоборот, придется напрячь свое воображение, чтобы понять использование характеристик, к чему мы часто прибегаем.

Пусть читатель не ищет полной и строгой теории транзисторов. Не следует также искать здесь и описания конструкции различных приборов.

Мы стремились помочь читателю понять принципы. Из всей массы понятий и сведений, отражающих бурно развивающуюся технику, мы старались выделить самое главное, оставив в стороне все, что кажется менее существенным.

Оба действующих лица, живой диалог которых заполняет страницы книги, не отличаются ни ученостью, ни серьезностью. Они решительно придерживаются взглядов Монтескье, утверждавшего, что «серьезность — счастье глупцов». Поэтому будем надеяться, что, изучая эти страницы, читатель получит двойное удовольствие: развлекаясь — постигать новое. Этого блага мы ему и желаем.

Е. Айсберг

 

Действующие лица

Любознайкин — молодой преподаватель радиоэлектроники, некогда изучивший основы радиотехники с помощью своего дяди Радиоля; он всегда готов удовлетворить любознательность своего друга…

…Незнайкин — первый ученик Любознайкина. Их беседы изложены в книгах «Радио?.. Это очень просто!», «Телевидение?.. Это очень просто!» и «Радио и телевидение?.. Это очень просто!», где можно убедиться, что если Незнайкину иногда не хватает элементарных знаний, то как бы в качестве компенсации этого недостатка он наделен необычайной понятливостью. В настоящее время Незнайкин работает монтажником на заводе, выпускающем радиоприемники.

 

Беседа первая

ЖИЗНЬ АТОМОВ

Невозможно понять работу транзисторов, не углубив предварительно некоторых познаний в физике и химии относительно строения атома и соединений атомов. К этому и стремятся наши друзья в своей первой беседе.

Содержание: Полупроводники. Принцип работы и преимущества транзистора. Влияние температуры на транзисторы. Пределы по частоте и по мощности. Молекулы. Атомы. Протоны, нейтроны и электроны. Распределение электронов по оболочкам. Ионизация. Валентное число. Кристаллическая решетка.

Незнайкин — жертва транзисторных приемников

Любознайкин. — Рад видеть тебя, дорогой друг. Хорошо ли ты провел отпуск?

Незнайкин. — Увы, нет.

Л. — Погода была неблагоприятной, облачное небо или море разбушевалось?

Н. — Совсем нет, в этом отношении мне повезло — погода была идеальная. Но на пляже не было никакой возможности отдохнуть, так как повсюду отдыхающие гремели своими транзисторными приемниками. Перекличка безголосых певичек и мотивы диких танцев подвергли мои нервы жестокому испытанию. А в довершение всего я, желая понять, как эти транзисторные приемники могут наделать столько шума, попытался читать книги, которые помогли бы мне понять теорию и вопросы применения… и ничего в них не понял!

Л. — Я понимаю твое огорчение. Но пусть твое самолюбие не страдает: поверь мне, транзисторы не такая простая штука! Открывая Международный конгресс по транзисторам, который в мае 1959 г. состоялся в Лондоне, лорд Хейлшем сказал, «что даже в наиболее развитых в промышленном отношении странах один из десяти тысяч человек не сможет объяснить, что такое транзистор или даже что такое полупроводник».

Н. — Это меня утешает, тем более что, как мне кажется, я могу сказать, что такое полупроводник.

Л. — Незнайкин, браво! Ну, выкладывай свои познания.

Трехлапое создание

Н. — Ну, начнем хотя бы с того, что полупроводник должен иметь сопротивление, во много раз большее, чем у проводников, и значительно меньшее, чем у диэлектриков.

Л. — Правильно, но это слишком общее определение. Чтобы быть более точными, скажем, что у такого полупроводника, как германий (который в основном используется для производства транзисторов), удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в миллион миллионов раз меньше, чем у стекла (рис. 1).

Рис. 1. Распределение важнейших проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов в зависимости от их удельного сопротивления. Здесь видно, что удельное сопротивление полупроводников изменяется в очень широких пределах и они занимают довольно широкую область.

Н. — Одним словом, в таблице удельных, сопротивлений он стоит ближе к проводникам, чем к диэлектрикам?

Л. — Да, и именно потому, что германий в некоторой мере проводит ток, из него можно делать «трехлапые создания».

Н. — Кого ты так называешь?

Л. — Такое название можно дать транзисторам, так как они имеют три проволочных вывода.

Н. — Если я правильно понял, транзистор заменяет электронную лампу. Может ли он выполнять все функции и какие преимущества по сравнению с лампой он имеет?

Л. — Ну вот, на меня и обрушился поток вопросов!.. Да, мой дорогой Незнайкин, транзистор, как и электронная лампа, может усиливать и детектировать сигналы; он также способен генерировать электрические колебания; его можно использовать в качестве преобразователя частоты и во всех других случаях, где до сих пор применялись вакуумные электронные лампы. Что же касается преимуществ, то у транзисторов их много. Начнем хотя бы с отсутствия накала.

Н. — Это чудесно! Значит, не нужно больше специального источника для питания накала?

Л. — Нет, не нужно, и поэтому транзисторы начинают работать немедленно, как только на них подадут напряжение, тогда как для ламп на подогрев уходит несколько десятков секунд, пока их катоды не достигнут температуры, необходимой для нормальной эмиссии электронов.

Н. — Я думаю, что отсутствие лакала должно также повышать коэффициент полезного действия, так как при использовании ламп значительная часть энергии источника теряется в виде теплоты.

Л. — Совершенно верно. Транзистору чуждо характерное для всех радиоламп разбазаривание ваттов, которые бесполезно уходят в калории. Там, где электронная лампа обычно потребляет 2 или 3 Вт, транзистор удовлетворяется десятками милливатт, т. е. мощностью, в сотню раз меньшей. А вместо 200 В, необходимых для приемно-усилительных ламп, транзистору вполне достаточно напряжения до 10 В.

Н. — Значит, одна или две обычные батарейки для карманного фонаря вполне удовлетворяют скромный аппетит приемника на транзисторах?

Л. — Да, именно так питаются портативные приемники, которые отравляли твое существование на пляже.

Н. — Можно ли также думать, что транзисторы прочнее и долговечнее электронных ламп, раз у них нет ни обрывающейся нити накала, ни катода, теряющего в конце концов свою эмиссию?

Л. — Правильно. Транзистор отличается прочностью (ведь это кусочек германиевого или кремниевого кристалла, снабженный тремя выводами и помещенный в корпус), малой массой и миниатюрностью.

Н. — Чудесно! Одни преимущества и нет недостатков!

Оборотная сторона медали

Л. — Вот опасность поспешных выводов! К сожалению, транзистор имеет и недостатки. При температуре выше 55 °C его к. п. д. довольно быстро падает, а если температуру поднять выше 85 °C, то и после охлаждения он потеряет свои первоначальные качества. Это верно по крайней мере для германиевых транзисторов. Кремниевые транзисторы свободно выдерживают значительно более высокие температуры: их не испугаешь температурой и в 150 °C. Дело в том, что в кремнии, как увидишь потом, электроны поверхностной оболочки сильнее связаны с ядром атома.

Н. — Я обещаю тебе никогда не прикасаться своим паяльником к транзистору.

Л. — И хорошо сделаешь. Впрочем, чтобы припаять выводы транзистора, необходимо перехватить калории, выделяемые наконечником паяльника, и не дать им достичь активного элемента транзистора.

Н. — А как это сделать?

Л. — Очень просто: надо зажать плоскогубцами часть проволочного вывода между транзистором и местом пайки… Кроме того, выводы транзисторов обычно делают из проволоки, плохо проводящей тепло (но, к счастью, хорошо проводящей ток!).

Н. — Можно ли в чем-нибудь еще упрекнуть транзистор?

Л. — К несчастью, да. Его возможности ограничены по частоте и по мощности. Он не может работать на частотах, превышающих несколько тысяч мегагерц…

Н. — Но это не так уж плохо, если вспомнить, что мегагерц — это миллион периодов в секунду.

Л. — Он также не может работать при больших мощностях, так как в этом случае теплота, выделяемая в транзисторе, резко ухудшает его отдачу. Тем не менее удается превысить мощность в 100 Вт.

Н. — Не думаешь ли ты, что эти недостатки исключают возможность широкого применения транзисторов?

Л. — Конечно, нет. С тех пор как транзистор был изобретен в 1948 г. тремя американскими физиками — Бардиным, Брэттейном и Шокли, которые получили за это изобретение Нобелевскую премию, он непрерывно совершенствовался. Уже сейчас транзистор в большинстве случаев может успешно заменить электронную лампу. Но я не думаю, что придет такой день, когда можно будет полностью отказаться от применения электронных ламп.

Возвращение к истокам

Н. — Теперь, когда меня больше не осаждает нестройный хор портативных приемников, как на пляже, я больше, чем когда бы то ни было, хочу понять, как работают транзисторы и каким образом их можно использовать.

Л. — Любопытная вещь: насколько просты наиболее распространенные транзисторные схемы, настолько сложны явления, происходящие в этих крохотных полупроводниковых приборах.

Н. — Я подозреваю, что в транзисторе, как и в лампе, имеются катод, сетка и анод.

Л. — Действительно, там различают области, которые в известной мере играют роль, аналогичную электродам вакуумного триода: эмиссия потока электронов, регулировка плотности и его фокусировка. И если ты желаешь, я могу кратко рассказать о применении транзисторов, не анализируя принципа их работы. Согласен?

Н. — Нет, я предпочитаю разобраться, что там в действительности происходит. Ты приучил меня рассуждать и анализировать механизм изучаемых явлений. Сохраним же эту традицию.

О молекулах и атомах

Л. — Ты прав. Но в этом случае мы должны начать с начала, т. е. со строения материи.

Н. — Мне кажется, что это… материя, которую мы давно знаем. Самая маленькая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства, называется молекулой — так сказано в моем учебнике физики.

Л. — Однако там не сказано, что в настоящее время мы знаем около полумиллиона разных молекул, являющихся результатом различных комбинаций примерно ста простых элементов.

Н. — Да, но там сказано, что все молекулы находятся на некотором расстоянии одна от другой (чем и объясняется сжимаемость всех тел); что они притягивают одна другую (к нашему счастью, иначе все предметы немедленно превратились бы в пыль) и что они находятся в беспорядочном движении, скорость которого по мере повышения температуры увеличивается.

Л. — Браво, Незнайкин! Ты все меньше и меньше оправдываешь свое имя… Раздробим молекулы, которые состоят из атомов, т. е. элементарных частиц простых веществ (или элементов). Каждый атом, как ты знаешь…

Н. — …представляет собой как бы миниатюрную солнечную систему со своим солнцем-ядром, состоящим из протонов (элементарных положительно заряженных частиц) и нейтронов, а планетами этой системы являются электроны, или вращающиеся вокруг ядра элементарные частицы отрицательного электричества (рис. 2).

Рис. 2. Атом лития имеет два электрона, вращающихся на оболочке К , и один электрон на оболочке L .

Л. — Ты говоришь как по книге, но нужно быть осторожным с аналогиями. Если все планеты солнечной системы движутся в одной плоскости, то у электронов орбиты располагаются в разных плоскостях. И эти орбиты расположены в пространстве не по воле случая: они могут занимать лишь определенные места, носящие название оболочек К, L, М, N, О, Р и Q. Эти оболочки упрощенно можно представить себе в виде концентрических сфер, в центре которых находится ядро, а радиусы этих сфер пропорциональны квадрату их номера.

Н. — Подожди, Любознайкин! Для меня это сразу слишком сложно.

Л. — Нет ничего проще. Оболочка К — это оболочка номер 1. Следовательно, у оболочки L, имеющей номер 2, радиус будет в 22 = 4 раза больше, а у оболочки М радиус будет в З2 = 9 раз больше и т. д.

Н. — Это значит, что радиус седьмой оболочки, которую ты называешь оболочкой Q, будет в 72, или в 49, раз больше радиуса оболочки К?

Л. — Разумеется. А кроме того, энергия, которой обладает каждый электрон, возрастает по мере увеличения номера (обычно говорят «квантового числа») оболочки, на которой он находится.

Н. — Расстояние до ядра увеличивается от оболочки к оболочке, но какова их реальная величина?

Л. — Самая близкая к ядру оболочка К находится от него на расстоянии 5·10-9 см, но я боюсь, что это тебе ничего не говорит. Представь себе фею, которая ударом волшебной палочки может увеличивать вещи в 10 раз. Если наша фея 14 раз ударит своей волшебной палочкой по атому углерода…

Н. — …атом увеличится в 1014 раз и, возможно, достигнет размеров целого земного шара, так что его и пристроить будет некуда. Вот будет фее хлопот!

Л. — Совсем нет. Протоны станут величиной с простое яблоко, а электроны (хотя масса каждого из них в 1837 раз меньше массы протона) — с футбольный мяч. И если ядро такого атома положить на паперть собора Парижской богоматери, то два электрона оболочки К будут вращаться на расстоянии 5 км, т. е. еще не выйдут за пределы Парижа. Что же касается четырех электронов внешней оболочки, то они будут вращаться в пригородной зоне на расстоянии 20 км от ядра, например будут проходить через Версаль.

У Незнайкина кружится голова

Н. — Но что же находится между нашими яблоками и футбольными мячами?

Л. — Ничего! Пустота. Но, разумеется, существуют электрические, магнитные, гравитационные и другие силы взаимного притяжения, поддерживающие всю эту систему в состоянии равновесия. Заряды с противоположными знаками взаимно притягиваются, поэтому электроны не уходят от своего ядра, несмотря на центробежные силы, стремящиеся их оторвать от ядра.

Н. — Ты меня пугаешь. Если это так, то атом состоит скорее из пустоты, чем из материи.

Л. — Совершенно верно, мой друг! И если бы удалось спрессовать все ядра и все электроны, составляющие, к примеру, твое тело, так, чтобы между ними не осталось пустоты, то получилось бы зернышко, едва различимое под микроскопом, но весящее, как и ты, 70 кг.

Н. — У меня мурашки бегают по коже каждый раз, когда ты напоминаешь мне, что я также состою из атомов. Но теперь, когда ты открыл мне, что во мне царит пустота, я испытываю жуткое головокружение.

Л. — Поэтому мы поступим благоразумно, если в дальнейшем будем говорить о других атомах, а не об атомах твоего тела. Чтобы более наглядно представить себе строение атома, условимся обозначать каждую оболочку в виде окружности.

Как ты, очевидно, знаешь, наиболее простое строение имеет атом водорода. Он состоит из одного протона и одного электрона, находящегося на оболочке К. В атоме гелия вокруг двух протонов ядра на этой же оболочке К вращаются два электрона (рис. 3).

Рис. 3. Вот два самых простых атома: атом водорода (слева) и атом гелия (справа).

Н. — А какой элемент имеет три электрона на оболочке К?

Ограниченное количество мест

Л. — Никакой, так как эта оболочка не может иметь больше двух электронов; Точно так же оболочка L не может иметь больше 8 электронов. На оболочке М может находиться не более 18 электронов, на оболочке N — не более 32, на оболочке О — не более 50, на оболочке Р — не более 72 и на оболочке Q — не более 98 электронов.

Н. — Очень любопытна эта последовательность чисел, которые ты называешь с такой легкостью.

Л. — Тут нет моей заслуги, так как эти числа определяются по очень простому закону:

Для оболочки К: 12 х 2 = 2.

Для оболочки L: 22 х 2 = 8.

Для оболочки М: З2 х 2 = 18.

Для оболочки N: 42 х 2 = 32.

Для оболочки О: 52 х 2 = 50.

Для оболочки Р: 62 х 2 = 72.

Для оболочки Q: 72 х 2 = 98.

Н. — В общей сложности 280. Значит, имеются атомы, содержащие такое количество электронов.

Л. — Нет, потому что если оболочки K, L, М и N, действительно, могут иметь указанное мною количество электронов, то на оболочке О на практике их не бывает больше 18, на оболочке Р — больше 32 и на оболочке Q — больше 10 (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение атома радия, показывающее распределение электронов по различным оболочкам. В действительности орбиты располагаются в различных плоскостях.

Н. — Это очень интересно, но мне кажется, что мы рискуем заблудиться в лабиринтах атомной и ядерной физики.

Л. — Напротив, мы сейчас примем решение, которое в значительной мере облегчит нам изучение всех этих вопросов. Если ты согласен, мы будем учитывать только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома.

Н. — Хорош же ты! Открыв мне существование многочисленных оболочек, из-за чего атом напомнил мне луковицу, ты сразу же запрещаешь мне очистить эту луковицу. Уж не хочешь ли ты уберечь меня от слез?..

Нейтральное состояние и ионизация

Л. — Решение, которое мы должны принять, вполне законно. Что нас интересует в конечном счете? — Электрическое состояние атомов. Однако обычно атом содержит электронов столько же, сколько и протонов, в результате чего отрицательные заряды первых уравновешиваются положительными зарядами вторых. Такой атом электрически нейтрален. Но может случиться, что внешние силы вырвут у атома один или несколько электронов. В этом случае равновесие нарушается: общая сумма отрицательных зарядов электронов оказывается меньше положительного заряда ядра. Такой атом становится положительным ионом.

Н. — А если, наоборот, по той или иной причине атом получит избыточные электроны, то он станет отрицательным. Я подозреваю, что в этом случае его можно назвать отрицательным ионом.

Л. — Превосходно! Однако такие потери или приобретения электронов (именуемые ионизацией) могут иметь место главным образом на внешней оболочке, т. е. там, где меньше проявляется сила притяжения ядра.

Н. — Да, я понимаю, что в этих условиях нас могут интересовать только электроны, находящиеся на внешней оболочке.

Супружеские вопросы

Л. — Для этого есть еще одна причина. Именно эта оболочка определяет химические свойства элементов. Атом действительно удовлетворен своим положением только тогда, когда имеет на своей внешней орбите 8 электронов. В этих условиях атом стабилен и не помышляет ни о приобретении, ни о потере электронов. Так, например, неон, имеющий на своей внешней оболочке L 8 электронов, весьма счастлив и не стремится вступить в связь с каким бы то ни было другим химическим элементом. А фтор, имеющий на этой же внешней оболочке только 7 электронов, только и думает, как бы вступить и комбинацию с другим элементом, способным уступить ему 1 электрон для пополнения состава внешней оболочки до 8.

Н. — А как осуществляются такие супружеские сочетания?

Л. — Возьми для примера хлор, у которого на внешней оболочке М 7 электронов, и натрий, имеющий 2 электрона на оболочке К, 8 электронов на оболочке L и только 1 электрон на оболочке М. Вот тебе пример идеальной пары. Входя в комбинацию с хлором, натрий передает ему свой единственный электрон с внешней оболочки и доводит до 8 количество электронов на внешней оболочке. Одновременно с этим у натрия внешней станет оболочка L сo своими 8 электронами, принеся ему тем самым высокую стабильность (рис. 5).

Рис. 5. При соединении атома хлора ( Сl ) с атомом натрия ( Na ) образуется молекула хлористого натрия.

Н. — Да, но, получив избыточный электрон, хлор окажется ионизированным отрицательно, а потерявший свой электрон натрий станет положительным ионом?

Л. — Разумеется. Взаимное притяжение этих двух ионов сделает стабильной конструкцию молекулы, появившейся в результате этого бракосочетания.

Н. — А как называется новое вещество?

Л. — Хлористый натрий, если ты будешь покупать его в магазине химических реактивов, но в бакалее это же вещество продается под названием поваренной соли.

Н. — Я в этом не был уверен… А теперь я предполагаю, что таким образом можно объяснить и другие бракосочетания атомов. Как, например, происходит это при образовании молекулы воды?

Л. — Объединение происходит очень любезно. Атом кислорода имеет на внешней оболочке L 6 электронов, следовательно, на ней имеется еще два свободных места, и для заполнения их кислород занимает электроны у двух атомов водорода, так как, позволь тебе напомнить, атомы водорода имеют всего лишь по одному электрону (рис. 6).

Рис. 6. Два атома водорода ( H ) своими электронами дополняют количество электронов на оболочке L атома кислорода ( О ) до восьми. В результате объединения этих трех атомов образуется молекула окиси водорода, именуемая обычно… водой ( Н 2 O ).

Н. — Теперь я понимаю, почему молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Л. — Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней показывает, в какие комбинации может вступать атом. Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным.

Н. — Прости меня, но это мне не совсем понятно.

Л. — Если на внешней оболочке имеется 6 или 7 электронов, то до полного комплекта из 8 электронов ей недостает соответственно 2 или 1 электрон. О таких атомах говорят, что они двухвалентны и одновалентны. Но если внешняя оболочка содержит 1, 2 или 3 электрона, то атом будет склонен отдать эти электроны. В этом случае мы имеем одновалентные, двухвалентные и трехвалентные элементы.

Н. — А если внешняя оболочка имеет 4 электрона?

Л. — В этом случае атом был бы более счастлив объединиться с другим атомом, имеющим также 4 электрона на внешней оболочке. Следовательно, такой атом четырехвалентен. Именно такие атомы у германия и кремния, используемых в производстве транзисторов, и у углерода. Наконец, если внешняя оболочка содержит 5 электронов, то атом называется пятивалентным. И, возвращаясь к вопросу о транзисторах, я представляю тебе несколько химических элементов, используемых при их производстве. С одной стороны, это алюминий, индий и галлий, внешняя оболочка которых содержит только 3 электрона, т. е. трехвалентные элементы, а с другой стороны, мышьяк и сурьма с 5 электронами на внешней оболочке, т. е. пятивалентные элементы (рис. 7).

Рис. 7. Распределение электронов (общее количество которых носит название «атомного номера») по различным оболочкам у основных элементов, используемых для изготовления транзисторов.

Общественная жизнь атомов

Н. — Неужели мы будем рассматривать таким способом все химические элементы?

Л. — Нет, успокойся. Мы ограничились элементами, имеющими важное значение в технологии транзисторов. Но мы допустим ошибку, если изучим только индивидуальную психологию атомов. Нас особенно должна интересовать их общественная жизнь. За исключением таких неисправимых индивидуалистов, как неон с 8 электронами на внешней орбите, которые боязливо отказываются от всякого объединения, атомы (не забывай этого!) живут в обществе. И их группировки имеют более или менее организованный характер. В твердых телах (за исключением тех, которые по своей структуре похожи на жидкости, как, например, стекло) атомы расположены в строго определенном порядке: они образуют кристаллические решетки.

Н. — Каким же образом они объединяются?

Л. — Это зависит от характера вещества. Возьмем в качестве примера германий или кремний. В этих веществах каждый атом своими четырьмя внешними электронами связан с четырьмя другими атомами: по одному электрону на каждый соседний атом. В свою очередь, каждый из соседних атомов отдает для связи с данным атомом по одному электрону. Я нарисовал здесь только один атом, связанный с четырьмя своими соседями (рис. 8). Но каждый из них, в свою очередь, связан с четырьмя соседними атомами (в том числе и с атомом, изображенным в центре нашего рисунка) и т. д. Теперь создается впечатление, что каждый атом имеет по 8 периферийных электронов, что, как ты видел, определяет условие стабильности. Попытайся представить себе правильное размещение атомов в пространстве.

Рис. 8. Атом германия, находящийся в центре куба, связан своими валентными электронами с четырьмя другими атомами (куб нарисован лишь для того, чтобы пояснить расположение атомов в пространстве). Кристаллы углерода и кремния имеют аналогичную структуру.

Н. — Очень забавная картина: висящие в пустоте шарики, каждый из которых наподобие индусских богов протягивает своим соседям четыре руки!.. И все твердые тела образуют подобные кристаллы?

Л. — Нет, Незнайкин. Но несколько других элементов имеют такое же распределение атомов, в частности углерод, большие кристаллы которого называются…

Н. — …алмазами. Это, мой дорогой друг, я знал. Нам повезло, что транзисторы делают из германия, а не из алмазов, иначе транзисторы стоили бы очень дорого.

Л. — Да, для нас с тобой, мой друг, это было бы очень и очень накладно… Однако существует много других типов кристаллов, которые нас сегодня не интересуют. Но нам чрезвычайно важно изучить свойства электронов внешней оболочки или, как их еще называют, периферийных электронов.

Н. — Ты мне сказал, что они легче других отрываются от атома, потому что слабее притягиваются его ядром.

Л. — Это правильно, но они отрываются лишь тогда, когда на внешней оболочке их мало — один, два или три. Это правило справедливо для всех металлов. Золото, серебро и медь имеют всего лишь по одному периферийному электрону; железо, цинк, магний — по два, а алюминий — три электрона. Эти электроны легко отрываются от атома и, став свободными, образуют поток электронов, который мы называем электрическим током. В отличие от металлов металлоиды имеют больше электронов на внешней оболочке, и эти электроны не проявляют тенденции к бродяжничеству, к которому так склонны их собратья, находящиеся в атомах металлов. Вот почему металлоиды являются диэлектриками.

Н. — А германий со своими четырьмя электронами тоже представляет собой диэлектрик?

Л. — И да, и нет, мой дорогой друг. В следующий раз я объясню тебе, что означает мой достойный древнегреческого оракула ответ.

 

Беседа вторая

ПЕРЕХОДЫ

Примеси, содержащиеся в полупроводниках даже в ничтожных количествах, резко изменяют электрические свойства этих материалов. Двое наших друзей изучают здесь, что происходит, когда чужеродные атомы нарушают правильную структуру кристаллической решетки.

Содержание: Собственная проводимость. Фоторезисторы и фотоэлементы. Примеси. Доноры. Дырки. Акцепторы. Полупроводники типов р и n . Переход. Потенциальный барьер. Прямое и обратное напряжения. Напряжение пробоя. Диод. Выпрямление тока полупроводниками.

Спокойная семейная жизнь атомов

Незнайкин. — Я много думал о твоих кристаллических решетках и даже пошел во Дворец открытий посмотреть модели, изображающие структуру различных кристаллов. Эти модели очень красивы: разноцветные маленькие шарики, изображающие атомы, соединены металлическими трубочками, представляющими собой валентные связи.

Любознайкин. — Поздравляю, что ты с такой пользой провел свой досуг. А к чему же привели твои размышления?

Н. — К идее, что кристалл германия похож на большое количество семей, каждая из которых имеет по четыре ребенка, а каждый ребенок одной семьи женат на ребенке одной из четырех соседних семей. Таким образом, по супружеским связям каждая из семей породнилась с четырьмя другими (рис. 9).

Рис. 9. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде схемы, хотя в действительности межатомные связи расположены не в одной плоскости, а в пространстве.

Л. — Ты нарисовал совсем неплохую картину, она даже поможет объяснить тебе дальнейшее. Действительно, в описанном тобой исключительно уравновешенном обществе нельзя ожидать больших потрясений, если все пары будут сохранять безупречную верность. И в нашем кристалле германия все электроны должны оставаться крепко привязанными к своим атомам прочными валентными связями.

Н. — Но что ты сделаешь с человеческими страстями?

О нескольких разводах

Л. — Ты, как я вижу, прочитал какой-нибудь сентиментальный роман… Ну, ладно. Точно так же, как людьми движут страсти, атомы подвержены тепловому воздействию, которому время от времени удается вырвать из той или иной связи электрон и освободить его. А ты знаешь, что когда электроны свободны…

Н. — …тело становится проводником тока. Много ли свободных электронов в германии при нормальной температуре?

Л. — Нет, очень мало. Едва ли два электрона на 10 миллиардов (т. е. на 1010) атомов. Это примерно такое соотношение, как если бы на удвоенное население земного шара был только один свободный человек.

Н. — Какая ужасная картина! Но если это так, то германий должен быть очень плохим проводником?

Л. — Да, и именно по этой причине его назвали полупроводником. Заметь, однако, что в одном грамме германия имеется десять тысяч миллиардов (или 1022) атомов, так что в нем содержится около двух тысяч миллиардов (или 2·1012) свободных электронов. Это лучше, чем ничего… и такого количества достаточно, чтобы пропустить небольшой ток.

Н. — Ты говоришь мне о тысячах миллиардов электронов и утверждаешь, что ток небольшой!

Л. — Значит, ты, Незнайкин, забыл, что плотность тока в один ампер соответствует прохождению 6·1018 электронов в секунду. Ты, конечно, поймешь, что наши несколько жалких тысяч миллиардов свободных электронов, разбросанных в колоссальной кристаллической решетке германия, могут создать только небольшую проводимость. Последняя обязана своим существованием тепловому движению и (обрати на это внимание) носит название собственной проводимости.

Н. — Одним словом, дело обстоит так, как если бы в нашем образцово организованном обществе изредка случались разводы и повторные браки.

Л. — Это тоже правильно. А чтобы лучше использовать твое сравнение, скажем, что иногда там может, как пишут в романах, дуть «знойный ветер страстей», вызывающий большие потрясения.

Н. — Я догадываюсь, что ты хочешь сказать: Если повышать температуру кристалла германия, то тепловое движение, становясь быстрее, высвобождает большее количество электронов. Собственная проводимость в этом случае повышается. В отличие от того, что имеет место в проводниках, сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается.

Л. — Ты хорошо рассудил, Незнайкин! Именно поэтому германий плохо работает при повышенных температурах. Нас в германии интересует не его собственная проводимость, потому что не ее используют в транзисторах. Кремний лучше выдерживает повышение температуры, так как его валентные электроны, находящиеся на третьей оболочке, крепче связаны с ядром, чем валентные электроны германия, находящиеся на четвертой оболочке. Я добавлю, что можно также высвобождать электроны, воздействуя на атомы полупроводника не тепловой, а световой энергией.

Н. — Не хочешь ли ты сказать, что фотоны, эти зернышки света, бомбардируя атомы германия, вырывают из них электроны?

Л. — Да, и это свойство позволяет делать из германия фоторезисторы, т. е. устройства, сопротивление которых изменяется под воздействием освещения. В наиболее старом из известных фотоэлементов используется селен, который также является полупроводником.

Н. — Впрочем, я пользуюсь фотоэкспонометром, в котором установлен такой элемент…

Л. — Фотоэлемент в твоем экспонометре, очевидно, сделан не из селена, а, возможно, из кадмия или кремния. Эти вещества позволяют создавать генерирующие фотоэлементы, т. е. устройства, преобразующие световую энергию в электрический ток.

Н. — Не такие ли элементы, освещаемые солнцем, питают электрическим током космические станции?

Скандалы многочисленных семей

Л. — Да, Незнайкин. А теперь мы станем свидетелями смуты в нашем так хорошо организованном обществе, введя в него семью с пятью детьми.

Н. — Что ты хочешь этим сказать?

Л. — Что среди атомов даже самого чистого германия содержатся в самых малых количествах атомы других элементов, именуемых примесями. В самом чистом германии на миллиард атомов имеется один атом примеси.

Н. — Стоит ли обращать внимание на такую малость? Ведь это все равно, что его вообще нет.

Л. — Ты неправ, когда пренебрегаешь этими примесями, потому что даже при такой ничтожной пропорции в одном кубическом сантиметре германия, который называют чистым, содержится пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных или, как их называют, примесных атомов.

Н. — Я не подумал, что этот кубический сантиметр содержит тысячи миллиардов атомов… Но что делает семья с пятью детьми? Ты хочешь сказать, что речь идет об атоме с пятью электронами на внешней оболочке?

Л. — Совершенно верно. Один пятивалентный атом, например атом мышьяка или сурьмы, проник в благородное общество атомов германия (рис. 10)… и скандал разразился!

Рис. 10. Пятивалентный примесный атом нарушил безукоризненный порядок кристаллической решетки. Что станет с пятым электроном этого атома?

Н. — Очевидно потому, что если удастся переженить четырех детей этой странной семьи с детьми четырех соседних семей, то пятый останется безнадежным холостяком?

Л. — Да, Незнайкин, четыре электрона образуют валентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки, а пятый электрон остается свободным.

Н. — Если я правильно понимаю, то, прилагая напряжение между двумя точками кристалла, можно создать там ток, ибо свободные электроны, появившиеся благодаря пятивалентным элементам, будут притягиваться положительным полюсом, а отрицательный полюс источника тока одновременно выпустит в кристалл такое же количество электронов (рис. 11).

Рис. 11. Проводимость в полупроводнике типа n . Свободные электроны (помечены знаком минус) отрываются от пятивалентных атомов, которые из-за этого становятся положительными ионами (помечены знаком плюс).

Л. — Да, такое явление в полупроводнике, содержащем пятивалентные примеси, т. е. примеси с избытком электронов. Говорят, Что это полупроводник типа n (от слова negative — отрицательный). А такие примеси часто называются донорами, так как они дают свободные электроны.

Н. — Каково обычное содержание примесей?

Л. — Максимум один атом на десять миллионов атомов германия, т. е. такая же пропорция, как четыре человека на все население Франции.

Н. — Да, однако в этом случае мы получим примесей в сто раз больше, чем их содержится в самом чистом германии. Но что станет с атомом примеси, например мышьяка, у которого оторвался свободный электрон? По-моему, он перестанет быть нейтральным и, имея теперь электронов меньше, чем протонов, станет положительным.

Л. — О, да. Как бы ни казался парадоксальным этот факт, а в германии типа n атомы примеси оказываются ионизированными положительно.

Истории с похищением детей

Н. — А что случится с нашим кристаллическим обществом, если одна из семей будет иметь лишь трех детей, иначе говоря, если в кристалл полупроводника ввести атомы, имеющие на внешней оболочке только три электрона?

Л. — Разразившийся скандал будет ничуть не меньше, чем в случае со слишком многочисленными семьями. Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. 12).

Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентный примесный атом, который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома.

Н. — Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.

Л. — Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.

Н. — Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.

Л. — Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13).

Рис. 13. В полупроводнике типа р трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.

Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.

Два потока

Н. — Значит, когда электроны, как им полагается, направляются к положительному полюсу, дырки перемещаются к отрицательному полюсу, как если бы они были частицами с положительными зарядами.

Л. — Да, действительно, все происходит так, как если бы в полупроводнике с трехвалентными примесями положительные заряды, противоположные электронам, перемещались от положительного полюса к отрицательному.

Н. — Таким образом, дырки следуют по условно принятому направлению электрического тока от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Но можно ли сказать, что здесь мы имеем электрический ток, созданный положительными зарядами?

Л. — А почему бы и нет? Не надо только забывать, что дырка представляет собой лишь свободное место, предназначенное для электрона.

Н. — Я предполагаю, что полупроводник, содержащий трехвалентные примеси, должен принадлежать к типу р (от слова positive — положительный).

Л. — Да, так его и называют. И раз уж ты сейчас настроен серьезно поразмыслить, может быть, ты скажешь мне, что происходит с атомами примеси, когда электроны с соседних атомов заполняют их дырки.

Н. — Они становятся отрицательно заряженными ионами, потому что количество электронов стало больше количества их протонов… Весьма любопытно, что в полупроводнике типа n примеси ионизируются положительно, а в полупроводнике типа р — отрицательно.

Л. — Я добавлю, что атомы примесей типа р, такие как атомы алюминия, галлия или индия, часто называют акцепторами, так как они принимают на себя электроны, тогда как атомы примесей типа n отдают их полупроводнику.

Н. — Я начинаю чувствовать, что в моей голове из всех этих доноров и акцепторов получается винегрет.

Л. — Поэтому существует маленькое правило: в слове «донор» есть буква «эн» (n), а в слове акцептор — буква «пэ» (р).

Н. — Спасибо, это несколько облегчит задачу.

Переход, представляющий собой барьер

Л. — Раз ты уже знаешь нравы кристаллических обществ, спокойствие которых нарушается экстравагантными семьями доноров и акцепторов, рассмотрим теперь, что даст объединение полупроводника типа и с полупроводником типа р. Представь себе, что, взяв чистый кристалл германия, я одну половину его «отравил», введя атомы-доноры (например, атомы мышьяка), а в другую половину ввел атомы-акцепторы (индия, если хочешь). Зона разграничения между разными типами полупроводников носит название р-n перехода. Его толщина порядка 0,3 мкм, но такая ничтожная протяженность зоны р-n перехода не мешает ей играть колоссальную роль.

Н. — Я не вижу в этом переходе ничего особенного. В каждой половине нашего кристалла электроны будут продолжать свои короткие прогулки, совершенно не ведая, что происходит в его второй половине.

Л. — Ошибаешься, друг мой. Обычный тепловой ток в этом случае будет сопровождаться другим явлением. Отрицательно ионизированные примесные атомы области р оттолкнут от перехода свободные электроны в области n.

Н. — Правда, а я и не думал об этом взаимном отталкивании одноименных зарядов… Но в этом случае положительно ионизированные атомы области и должны оттолкнуться от перехода дырки в области р.

Л. — Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области и притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-n перехода (рис. 14).

Рис. 14. Переход р-n . Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области n отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ионы донорной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.

Н. — Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-n перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их к краям кристалла. Все это очень любопытно; наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а другая с положительным потенциалом.

Л. — Да, ты очень хорошо рассудил: Переход представляет собой настоящий потенциальный барьер.

В этом тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения (в области n — не забудь этого!) к отрицательному (в области р). Но в общей сложности кристалл остается нейтральным, так как в целом положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Создав в полупроводнике области типа р и типа n, мы просто вызвали перемещение подвижных зарядов в оба конца каждой области, тогда как в отсутствие р-n перехода заряды распределяются равномерно по всему кристаллу.

Н. — Все это представляется мне совершенно ясным, но какая нам польза от этого перехода с его потенциальным барьером?

Л. — Ты сразу же ее обнаружишь, если приложишь к р-n переходу напряжение.

Электроны и дырки на прогулке

Н. — Я предполагаю, что мы получим ток, образуемый свободными электронами области n и дырками области р, причем одни движутся в одну, а другие — в обратную сторону.

Л. — Возможно, ты прав, но ты слишком спешишь. Сначала необходимо рассмотреть порознь, что происходит в нашем полупроводнике с р-n переходом при одной и другой полярности приложенного напряжения. Первоначально допустим, что положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный полюс — с областью n (рис. 15).

Рис. 15. Прохождение тока через р-n переход. На рисунке обозначены только носители зарядов: электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области n и акцепторы области р для большей ясности опущены.

Н. — Хорошо. В области n свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими из источника напряжения. Они пересекут переход и заполнят дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу.

Л. — Чтобы быть более точными, скажем, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон каждый раз, когда другой электрон преодолеет переход, перепрыгнув из области n в область р. Электрон, притянутый источником, создает дырку, которая будет заполнена электроном, расположенным ближе к переходу, на месте электрона возникает дырка и т. д, дырка будет перемещаться в сторону перехода, пока она не будет заполнена там новым электроном, пришедшим из области n.

Н. — Следовательно, я был абсолютно прав, когда сказал, что возникает ток, образуемый электронами и дырками, перемещающимися в противоположных направлениях.

Л. — Да, это правильно, когда напряжение прикладывают, как мы это сейчас сделали, в прямом направлении, т. е. присоединяют положительный полюс источника к области р, а отрицательный полюс к области n. Но если приложить напряжение в обратном направлении, то результат будет иным (рис. 16).

Рис. 16. Прилагая к р-n переходу обратное напряжение, мы лишь оттягиваем электроны и дырки от границы раздела двух областей. Таким образом, «потенциальный барьер», высота которого повышается, препятствует прохождению тока.

Н. — Почему же? Электроны отрицательного полюса источника притянут дырки области р ближе к концу кристалла полупроводника, а к другому концу кристалла положительный потенциал источника притянет свободные электроны. Вот неожиданность!.. Ведь при этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать переход, а потенциальный барьер только увеличится, значит, никакого тока мы не получим!

Л. — Не я заставил тебя говорить это. Ты сам видел, что ток может установиться только при приложении прямого напряжения, когда положительный полюс соединяется с областью р, а отрицательный — с областью n. Но если ты поменяешь полярность, то тока не будет или же будет только чрезвычайно малый обратный ток (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость обратного тока через р-n переход от приложенного напряжения. Внимание: кривая приведена не в линейном, а в логарифмическом масштабе.

Н. — Даже если приложить высокое напряжение?

Л. — Даже и в этом случае, но до известного предела. Если ты превысишь этот предел, то потенциальный барьер будет прорван и электроны устремятся лавиной: ток мгновенно станет большим. Это явление аналогично электрическому пробою диэлектрика, и напряжение, при котором оно происходит, называют пробивным напряжением р-n перехода. Это явление в некоторых случаях применяется в электронике, но мы не будем прибегать к его помощи. И для нас переход останется проводником в прямом направлении и практически диэлектриком в обратном направлении.

Обязательное одностороннее движение

Н. — Но тогда переход, проводящий только в одном направлении, представляет собой настоящий выпрямитель?

Л. — Да, тысячу раз да, дорогой Незнайкин. Если ты приложишь к нему переменное напряжение, то ток пойдет во время одного полупериода, когда напряжение окажется прямым, но не пойдет во время другого полупериода при обратной полярности напряжения (рис. 18)

Рис. 18. Диод с р-n переходом может служить выпрямителем, так же как и вакуумный диод, но в отличие от последнего он не требует напряжения накала! На нашем рисунке показан однополупериодный выпрямитель.

Н. — Как через любой диод?

Л. — Совершенно верно. И именно по этой причине р-n переход называют полупроводниковым диодом (рис. 19).

Рис. 19. Условное обозначение полупроводникового диода выбрано с учетом условного направления тока от положительного полюса к отрицательному, которое, однако, не соответствует истинному направлению движения электронов.

Как и любой другой диод, он может служить детектором (рис. 20). Он прекрасно выполняет функции детектора, а на очень высоких частотах — даже лучше, чем вакуумные диоды.

Рис. 20. Диод с р-n переходом используется в качестве детектора. Детектирование напряжения выделяется на резисторе, причем высокочастотные пульсации сглаживаются конденсатором.

Н. — А можно ли также использовать переходы в качестве выпрямителей относительно больших токов, например вместо кенотронов, выпрямляющих анодное напряжение?

Л. — Это широко распространено. Кремниевые, купроксные или селеновые выпрямители с успехом заменяют вакуумные вентили, причем обладают еще и рядом преимуществ: они прочнее, экономичнее, а их срок службы значительно больше.

Н. — Если это так, то я без колебаний провозглашу: «Да здравствуют полупроводники!»

 

Беседа третья

ДОБРЫЙ ДЕНЬ, ТРАНЗИСТОР!

Разобрав в предыдущей беседе свойства переходов, наши два друга приступают здесь к изучению транзистора, у которого при первом же знакомстве обнаруживаются глубокое сходство и не менее глубокое различие с электронной лампой. Любознайкин и Незнайкин разбирают сущность процесса усиления транзистора и делают интересные наблюдения относительно входного и выходного сопротивлений транзистора.

Содержание: Транзисторы структур р-n-р и n-р-n . Ток покоя. Ток базы. Транзисторный эффект. Усиление тока. Аналогия лампа — транзистор. Входное и выходное сопротивления. Усиление напряжения. Питание транзистора.

Глупая шутка

Любознайкин. — Здравствуй, Незнайкин! Почему ты опоздал и почему у тебя такой разъяренный вид?

Незнайкин. — Есть отчего… Знаешь ли ты, что на вашу улицу нельзя больше проехать на автомобиле?

Л. — На ней одностороннее движение, но достаточно въехать на нее в разрешенном направлении, чтобы…

Н. — Нет больше разрешенного направления! Эти регулировщики, которые, несомненно, считают себя большими остряками, повесили и на другом конце знак «Въезд запрещен», так что теперь въезд на вашу улицу закрыт с обеих сторон.

Л. — Ну, это, может быть, просто шутка одного из тех, которому надоел шум автомобилей… и теперь мы в тишине сможем наконец рассмотреть принцип работы транзистора.

Н. — Я горю от нетерпения узнать, как устроено это «трехлапое создание».

Л. — Ну, в этом нет ничего сложного. Транзистор состоит из двух противоположно направленных р-n переходов. Можно, например, объединить два р-n перехода таким образом, что их область р окажется общей; в результате получим транзистор структуры n-р-n (рис. 21).

Рис. 21. Два основных вида транзисторов: n-р-n и р-n-р .

Н. — Я думаю, что точно так же от объединения областей n двух р-n переходов мы получим транзистор структуры р-n-р.

Л. — Естественно. Я добавлю, что одна из внешних областей называется эмиттером, а другая — коллектором, средняя же область, которая должна быть очень тонкой (и я прошу тебя обратить на это условие особое внимание), называется базой.

Н. — Одним словом, транзистор представляет собой своеобразный бутерброд из двух толстых кусков хлеба, между которыми положен тоненький кусочек ветчины.

Л. — Да, если хочешь.

Н. — Но позволь мне сказать, что твой бутерброд так же несъедобен, как недоступна для машин ваша улица.

Непроницаемый бутерброд

Л. — На что ты намекаешь, уважаемый друг?

Н. — Очень просто: два направленных в противоположные стороны перехода закрывают путь току в обоих направлениях точно так же, как и два знака «Въезд запрещен» лишают возможности выехать на вашу улицу, с какой бы стороны ты ни пытался это сделать.

Л. — Твои рассуждения не лишены логики. В заключение ты, может быть, заподозришь меня в авторстве этой глупой шутки, которую я якобы сделал с единственной целью облегчить тебе понимание принципа работы транзистора?..

Дело заключается в том, что если прикладывать напряжение к транзистору между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет препятствовать прохождению тока (рис. 22).

Рис. 22. Потенциальные барьеры, созданные в транзисторе своеобразным размещением электронов, дырок, положительных ионов (доноров) и отрицательных ионов (акцепторов).

Н. — Например, если к транзистору n-р-n мы приложим напряжение так, чтобы слева был отрицательный, а справа положительный полюс, то первый переход (n-р) свободно пропустит электроны слева направо. Но второй переход (р-n) решительно закроет им дорогу. Однако не найдется ли тем не менее несколько шустрых электронов, которым, несмотря на все, удастся циркулировать в цепи?

Л. — Да, такие электроны всегда имеются. Они проложат себе дорогу благодаря тепловому воздействию, которое поможет им преодолеть р-n переход. Эти циркулирующие электроны образуют то, что называется начальным током, или током насыщения.

Н. — Чем вызвано последнее название? Может быть, этот ток так велик?

Л. — Напротив» он чрезвычайно мал. Но он практически не зависит от величины приложенного напряжения. Повысь напряжение, а ток останется почти таким же. Под «насыщением» в данном случае понимают, что все свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер, участвуют в образовании тока.

Н. — А если температура повысится…

Л. — …ток насыщения также возрастет. Впрочем, может случиться, что при высоком напряжении выделяемая этим током мощность вызовет дополнительное нагревание переходов, которое повлечет за собой дальнейшее увеличение тока…

Н. — …что в свою очередь повысит температуру переходов и т. д.

Л. — Да. В этом случае говорят о наступлении тепловой нестабильности, которая может привести к разрушению транзистора (так называемому тепловому пробою). Поэтому при повышенной температуре не следует прилагать к транзистору чрезмерных напряжений. Следует также заботиться об отводе тепла.

Н. — Я обещаю тебе установить вентиляторы в моей аппаратуре на транзисторах… Однако пока я не вижу пользы от этих полупроводниковых бутербродов.

В основе всего… база

Л. — Это потому, что ты пока не добрался до ветчины… я хочу сказать — до тонкой средней области, находящейся между обоими переходами, которую мы назвали базой. Приложим теперь в прямом направлении небольшое напряжение между эмиттером и базой (рис. 23).

Рис. 23. Создавая поток электронов из эмиттера в базу, источник напряжения открывает им дорогу через коллектор.

Н. — Ты хочешь сказать, что если мы возьмем транзистор структуры n-р-n, то его эмиттер надо сделать отрицательным по отношению к базе?

Л. — Совершенно верно. Что, по-твоему, произойдет в этом случае?

Н. — Ничего особенного. Напряжение приложено в прямом направлении — значит, через переход между эмиттером и базой пойдет ток, вот и все.

Л. — Нет, далеко не все. Ток внесет в базу (область р) свободные электроны из эмиттера, который состоит из полупроводника типа n. А так как база тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области р. При этом в соответствии с механизмом, который мы рассмотрели в прошлый раз, через вывод базы будет выходить небольшой ток базы I б . Большинство же проникших в базу электронов продолжит свое движение и проникнет в коллектор, откуда они будут извлечены высоким потенциалом источника напряжение E кэ . Следовательно, они преодолеют потенциальный барьер второго перехода и, пройдя через коллектор и источник E кэ , вернутся к эмиттеру.

Н. — Удивительно! Если я правильно понял, то достаточно приложить небольшое напряжение между базой и эмиттером, чтобы открыть электронам путь через второй переход база — коллектор, который в обычных условиях включен в обратном направлении.

Л. — Да, Незнайкин. Именно в открывании запертого обратным напряжением второго перехода заключается транзисторный эффект.

Н. — Я думаю, что дело станет для меня яснее, если ты назовешь мне порядок величин используемых напряжений и токов.

Микроамперы базы и миллиамперы коллектора

Л. — Между базой и эмиттером обычных маломощных транзисторов прикладывают напряжение порядка 0,2 В. При этом в цепи базы проходит ток в несколько десятков микроампер. Напряжение же, прикладываемое между коллектором и эмиттером, может составлять 5 — 10 В и больше. Ток коллектора бывает от 0,5 мА до нескольких миллиампер.

Н. — Одним словом, эмиттер впрыскивает в базу некоторое количество электронов, небольшая часть которых сразу же возвращается к эмиттеру через источник напряжения Е бэ (это те электроны, которые во время своего короткого пробега по базе имели несчастье повстречаться с дырками), но большая часть электронов продолжает свой путь, они пересекают второй переход, входят в коллектор и возвращаются к эмиттеру через источник напряжения Е кэ . Я уже догадался, что усилительное действие транзисторов заключается в том, что ток коллектора значительно больше тока базы.

Л. — Ты несколько спешишь, но ты не ошибаешься. Усиление заключается в том, что ток коллектора зависит в основном от тока базы и меняется пропорционально изменениям последнего. Вообще ток коллектора в несколько десятков раз больше тока базы. Вот, например, график, показывающий, как изменяется ток коллектора в зависимости от тока базы одного из транзисторов (рис. 24).

Рис. 24. Зависимость тока коллектора I к (в миллиамперах) от тока базы I б (в микроамперах). Между точками А и Б ток базы увеличивается от 50 до 100 мкА, т. е. на 50 мкА, или 0,05 мА. Ток коллектора между этими же точками возрастает от 3 до 5,5 мА, т. е. на 2,5 мА. Следовательно, усиление по току составляет 2,5:0,05 = 50 раз.

Будь внимателен, Незнайкин! Ток базы выражен здесь в микроамперах, а ток коллектора — в миллиамперах.

Проявив достаточную наблюдательность, ты заметишь, что ток коллектора за вычетом начального тока, существующего в отсутствие тока базы, всюду в 50 раз больше тока базы. В этом случае говорят, что усиление по току (или иначе статический коэффициент передачи тока, h21 э ) равно 50.

Н. — А как строится такой график?

Л. — Очень просто. Изменяя при помощи потенциометра прикладываемое между базой и эмиттером напряжение (рис. 25), надо измерять соответствующие друг другу значения тока базы (микроамперметром) и тока коллектора (миллиамперметром).

Рис. 25. Схема, при помощи которой можно снять характеристику, изображенную на рис. 24. При каждом положении движка потенциометра R измеряются значения тока базы и тока коллектора.

Н. — Любознайкин, у меня есть одна идея. Вместо того, чтобы крутить ручку потенциометра и изменять тем самым напряжение между эмиттером и базой, давай приложим последовательно с источником постоянного напряжения Е бэ какой-нибудь сигнал, например высокочастотное напряжение из антенны или низкочастотное напряжение, получаемое после детектирования (рис. 26). Вызывая таким образом небольшие изменения тока базы, мы получаем значительные изменения тока коллектора.

Рис. 26. Между базой и эмиттером приложено переменное напряжение. Сразу же появляется переменная составляющая тока в цепи коллектора.

Сходства и различия

Л. — Браво, Незнайкин! Как ты додумался до такой блестящей идеи?

Н. — Видишь ли, мне в этот момент представилась аналогия между транзистором и электронной лампой. Вот, например, база, ведь она удивительно похожа на сетку. Так же как и сетка, она размещена между эмиттером и коллектором, будто между катодом (он ведь тоже эмиттирует электроны) и анодом (а он-то их собирает). И так же как небольшие изменения потенциала сетки вызывают значительные изменения анодного тока, здесь слабые изменения напряжения в цепи базы создают значительные изменения тока коллектора. Ура! Я понял суть транзистора! Разве я не ясновидец?

Л. — По правде говоря, триумф твой весьма скромен. Я рискую охладить твой юношеский пыл. Я должен сказать, что аналогия лампа — транзистор хотя и облегчает понимание некоторых явлении, но имеет свои ограничения, о которых не следует забывать.

Н. — Я не вижу существенной разницы.

Л. — Для начала имеется одна и весьма существенная: наличие тока базы. Вспомни, как при использовании ламп мы тщательно стараемся предотвратить возникновение сеточного тока.

Н. — Правильно. Мы подаем на сетку отрицательное смещение, чтобы помешать ей становиться положительной при пиках положительных значений сигнала, что сделало бы ее конкуренткой анода и она стала бы захватывать электроны.

Л. — Поэтому входной сигнал у лампы представляет собой напряжение, которое практически не создает никакого тока, а следовательно, здесь нет и расхода мощности. В транзисторе же напряжение входного сигнала вызывает соответствующий ток, а значит, надо говорить и о затрате мощности.

Н. — Должен ли я сделать из этого вывод, что у транзистора промежуток эмиттер — база имеет входное сопротивление и, вероятно, малое?

Л. — Разумеется. Входное сопротивление составляет всего каких-нибудь несколько сотен ом, тогда как сопротивление между катодом и сеткой вакуумной лампы практически бесконечно большое. У мощных же транзисторов это сопротивление составляет несколько ом или десятков ом. А вот выходное сопротивление транзистора, напротив, довольно высокое и может достигать нескольких десятков тысяч ом.

Н. — Ясно. Ведь к переходу эмиттер — база напряжение прикладывают в прямом направлении, что снижает сопротивление, а к переходу база — коллектор — в обратном направлении, что должно сделать его сопротивление весьма высоким. Любопытно, что выходное сопротивление у транзистора получается того же порядка, что у электронных ламп.

Л. — Как видишь, Незнайкин, не следует без особой необходимости и без соответствующих оговорок прибегать к аналогии лампа — транзистор. А так как мы приступили к основному вопросу — о входном и выходном сопротивлениях, ты легко поймешь, как происходит в транзисторе усиление по напряжению.

Усиление по напряжению

Н. — Я предполагаю, что небольшое переменное напряжение, приложенное между базой и эмиттером, определяет, как мы уже говорили, изменение тока базы.

Л. — И эти изменения будут тем больше, чем меньше входное сопротивление (если источник напряжения сам имеет малое внутреннее сопротивление).

Н. — Это я понимаю, так как в голове у меня постоянно сидит закон Ома, по которому ток будет тем больше, чем меньше сопротивление.

Л. — Однако ток коллектора изменяется пропорционально току базы. Следовательно, он тоже будет претерпевать значительные изменения. Но поскольку выходное сопротивление транзистора велико, мы без осложнений можем пропускать ток коллектора через большое сопротивление нагрузки…

Н. — …на котором мы выделим значительно усиленные переменные напряжения. Если память мне не изменяет, у электронных ламп отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению напряжения на сетке называется крутизной.

Можно ли в царстве транзисторов применять это понятие? В этом случае крутизной было бы отношение изменения тока коллектора к изменению напряжения базы.

Л. — Да, Незнайкин. Часто говорят о крутизне транзистора, и мы еще будем иметь случай более детально рассмотреть это понятие. Уже сейчас я могу сказать тебе, что крутизной 30 мА/В (при питании цепи коллектора током в 1 мА) никого не удивишь.

Н. — Но это здорово! С такой крутизной, очевидно, можно получить колоссальные усиления.

Л. — Увы! Нет. Как ты вскоре увидишь, низкое входное сопротивление лишает нас части преимуществ этой высокой крутизны. Кроме того, ты понимаешь, что необходимо ограничивать амплитуду усиливаемых переменных напряжений.

Н. — В электронных лампах следует избегать, чтобы сетка стала положительной. Здесь же, как я думаю, не следует допускать обратного явления, чтобы пики отрицательных полупериодов не сделали эмиттер положительным по отношению к базе, т. е. не заперли эмиттерный переход.

Л. — Правильно. А кроме того, не следует также допускать, чтобы положительный пик на базе вызвал столь большое увеличение тока коллектора, который ограничится падением всего напряжения батареи Е к- э на нагрузочном резисторе.

Н. — А нельзя ли для устранения этих опасностей повысить напряжения обеих батарей?

Л. — В некоторых случаях это может привести к неприятностям, так как для каждого типа транзистора существуют максимально допустимые значения постоянных напряжений, которые нельзя превышать. Однако тут же я хочу сказать тебе, что оба источника напряжения с выгодой для дела можно соединить последовательно, потому что нужно подать на коллектор напряжение еще более положительное, чем напряжение базы по отношению к напряжению эмиттера (рис. 27).

Рис. 27. Два источника напряжения (для цепи базы и для цепи коллектора) могут быть заменены одним источником с отводом (вместо отвода от батареи можно применить делитель напряжения из двух резисторов). На нашем рисунке показано также место включения нагрузочного резистора R н , на котором выделяется усиленное выходное напряжение.

Н. — Я уже вижу, как батарея Е э-б подсаживает батарею Е к-э .

Л. — В действительности обходятся совсем без первой батареи, а смещение на базе получают автоматически с помощью резисторов, присоединенных к источнику Е к-э , и резистора, введенного в цепь эмиттера.

Н. — Это как делают в ламповых схемах, где через резистор сеточного смещения проходит анодный ток?

Л. — Почти. Но подробнее этот вопрос мы рассмотрим дальше. А пока в качестве упражнения я прошу тебя продумать к нашей следующей встрече, каким образом ведет себя другой (и надо сказать, значительно более распространенный) тип транзистора, а именно транзистор структуры р-n-р.

Н. — Сколько бессонных ночей ждет меня!

 

Беседа четвертая

ФИЗИКА ТРАНЗИСТОРОВ

Во время трех первых бесед Любознайкин и Незнайкин рассмотрели физические основы транзисторов. Для этого они изучили внутреннюю структуру отдельно взятого атома, а затем поведение атома в кристаллической решетке. Наши друзья увидели, какие нарушения в коллективе атомов вызывает введение примесей. И, наконец, комбинируя области полупроводникового материала с противоположными типами проводимости, наши друзья получали диоды и транзисторы. Для лучшего усвоения всего этого полезно подробнее рассмотреть некоторые детали уже затронутых раньше вопросов. Это и явится предметом данной беседы.

Содержание: Движение зарядов. Основные носители. Принцип работы транзистора структуры р-n-р . Интерметаллические соединения. Обозначение выводов: Условные обозначения транзистора. Краткое изложение основных понятий.

Четыре типа заряженных частиц

Незнайкин. — Твой полупроводники, Любознайкин, заставили меня провести не одну бессонную ночь. Это увлекательно…, но дьявольски сложно!

Любознайкин. — Должен ли я прописать тебе снотворное, или ты предпочитаешь, чтобы я осветил те вопросы, которые кажутся тебе непонятными?

Н. — Я предпочел бы получить ответы на мучающие меня вопросы. Видишь ли, характер некоторых явлений мне трудно понять из-за наличия в полупроводниках четырех типов заряженных частиц:

1) ионизированных атомов доноров, которые, потеряв пятый электрон со своей внешней оболочки, стали положительными;

2) освобожденных таким образом электронов, имеющих отрицательный заряд;

3) ионизированных атомов акцепторов, которые, захватив электрон у соседнего атома, чтобы довести количество электронов на внешней оболочке до четырех, стали отрицательными;

4) и, наконец, дырок, появившихся в результате таких захватов и представляющих собой недостаток электрона, а потому имеющих положительный заряд.

Л. — Ты хорошо изложил положение, существующее в полупроводнике. Что же тебя беспокоит?

Н. — Вопрос движения зарядов. Ты сказал мне, что в полупроводнике электрический ток создается одновременно потоком электронов, идущих от отрицательного полюса к положительному, и перемещением дырок, двигающихся в обратном направлении от положительного полюса к отрицательному. Этим полупроводники отличаются от металлов, в которых электропроводность создается только движением электронов.

Л. — Совершенно верно. К этому следует еще добавить, что и движение дырок в конечном счете обусловливается перемещением электронов.

Н. — Но я не понимаю, почему ионизированные атомы, как доноры, так и акцепторы, сами не участвуют в движении электрических зарядов.

Л. — Я вижу, что тебя мучает, и ты бесспорно прав, задав этот вопрос. Однако это довольно просто: ионы не могут перемещаться, потому что они входят в состав кристаллической решетки и прочно привязаны к своим местам. До тех пор, пока тело остается твердым, его атомы остаются пленниками невидимых связей, которые удерживают их на месте. В жидкостях, в отличие от твердых тел, ионизированные атомы свободно перемещаются и при приложении внешнего напряжения создают ионную проводимость, называемую явлением электролиза, о котором тебе, бесспорно, говорили в школе на уроках физики.

Н. — Прекрасно! Отныне в своих рассуждениях я буду вправе не принимать в расчет ионизированные атомы и заниматься только электронами и дырками.

Л. — Это вполне законно, и я добавлю, что к счастью ионы в полупроводниках не перемещаются. В противном случае проводимость различных областей транзистора с течением времени могла бы изменяться, что сократило бы продолжительность его службы. Что касается электронов, то они непрерывно обновляются, потому что источник напряжения инъецирует их с одной стороны и отбирает с другой, что порождает новые дырки. Это означает, что мы не обнаружили никаких причин, ограничивающих срок службы транзисторов.

Эйнштейн был прав

Н. — Чудесно, но поговорим еще об электронах и дырках. Я хотел бы знать, как они сосуществуют, не нейтрализуя друг-друга. Ведь разноименные заряды взаимно притягиваются.

Л. — Подумай, Незнайкин, о колоссальных расстояниях (разумеется, в атомных масштабах), которые разделяют большинство этих частиц. Электрону удается пробежать путь, во много сотен раз превышающий расстояние между атомами. В человеческих масштабах в среднем это всего лишь десять тысячных миллиметра, но для электрона это космические расстояния. Ты понимаешь, что в этих условиях у него нег шансов встретить дырку, и в действительности электроны и дырки всегда сосуществуют.

Н. — Да, ты мне объяснил, что даже при нормальной температуре имеется известное тепловое движение, отрывающее электроны у многих атомов, чтобы бросить их в межатомное пространство.

Л. — В кубическом сантиметре «чистого» германия при обычной температуре имеется около двадцати пяти тысяч миллиардов свободных электронов и, естественно, столько же дырок, так как место, оставленное электроном, не что иное, как дырка. Эти пары носителей зарядов после определенной продолжительности жизни рекомбинируют, но все время создаются и новые пары, так что в кристалле удерживается статистическое равновесие процессов генерации и рекомбинации пар электрон — дырка.

Н. — А если германий не «чистый»? Если мы, например, введем в него примеси типа n?

Л. — B этом случае свободных электронов будет больше, чем дырок. Поэтому в материале типа и электроны называются основными носителями зарядов.

Н. — Я догадываюсь, что в полупроводнике типа р более многочисленны дырки и потому здесь они должны считаться основными носителями… Эйнштейн решительно был прав: все относительно.

Транзистор структуры р-n-р

Л. — Теперь, когда я удовлетворил твое любопытство, не можешь ли ты в свою очередь ответить мне на вопрос, который я задал в конце нашей прошлой беседы: как работает транзистор структуры р-n-р (рис. 28)?

Рис. 28. Распределение носителей зарядов (электронов и дырок) и ионизированных атомов в транзисторе структуры р-n-р до включения напряжений питания. На рисунке видны потенциальные барьеры, образованные ионами с разноименными зарядами.

Н. — Я думал об этом, и мне кажется, что я могу тебе ответить. В таком транзисторе в отличие от транзистора структуры n-р-n коллектор нужно сделать отрицательным по отношению к эмиттеру. Я должен тебе признаться, что это мне очень неприятно.

Л. — Почему же?

Н. — Потому что я всегда сравниваю транзистор с электронной лампой, и идея сделать анод отрицательным по отношению к катоду (ведь именно их роль выполняют соответственно коллектор и эмиттер) меня несколько разочаровывает. Тот факт, что база должна быть отрицательной по отношению к эмиттеру, радует мое сердце, так как я думаю, разумеется, о сетке.

Л. — Незнайкин, остерегайся таких сопоставлений, я уже говорил тебе об этом.

Н. — Как бы там ни было, но при таком распределении напряжений переход эмиттер — база питается в проводящем направлении. Это значит, что отталкиваемые положительным полюсом источника питания дырки эмиттера неудержимо устремляются через р-n переход в базу. Благодаря малой толщине базы большинство дырок успевает проскочить через нее и проникает в коллектор, не прореагировав на слабое напряжение отрицательного полюса батареи Е б-э .

Л. — Это совершенно верно. Однако что происходит с теми немногочисленными дырками, которые, как ты говоришь, прореагируют на притяжение отрицательного полюса батареи Е б-э (рис. 29)?

Рис. 29. Движение носителей зарядов в работающем р-n-р транзисторе. Для общей ясности ионы на этом рисунке не показаны.

Н. — Они нейтрализуются в результате рекомбинации с поступившими от этого полюса электронами. Таким образом, они создают небольшой ток I б , протекающий от базы к эмиттеру (в электронном смысле, конечно).

Л. — А какова судьба большинства дырок, которые достигли коллектора?

Н. — Там происходит то же самое явление: дырки нейтрализуются электронами, поступающими из отрицательного полюса батареи Е к-э . И каждый раз, когда электрон проникает из батареи в коллектор, чтобы нейтрализовать дырку, другой электрон покидает один из атомов эмиттера и поглощается положительным полюсом этой батареи; само собой разумеется, что, покидая свой атом, данный электрон порождает в эмиттере новую дырку. Ток поддерживается движением дырок от эмиттера к коллектору и электронов в обратном направлении. Разве не так?

Л. — Я восхищен, как здорово разобрался ты в работе транзистора. Действительно, все происходит гак, как если бы армия штурмовала крепость. Атакующие достигают вершины стены и в неудержимом порыве врываются в город через ряды пытающихся их сдержать защитников.

Н. — Твоя аналогия, где крепостная стена представляет базу, а город — коллектор, была бы более убедительной, если бы осажденный гарнизон предпринимал контратаку, символизирующую движение электронов навстречу атакующим дыркам, вооруженным неотразимым… положительным зарядом.

Да, кстати, с одинаковой ли скоростью движутся электроны и дырки?

Несколько футуристических комбинаций

Л. — Нет, Незнайкин. В чистом германии под воздействием электрического поля величиной в один вольт на сантиметр электроны пробегают около сорока метров в секунду, тогда как дырки перемещаются вдвое медленнее. В кремнии при этих же условиях у электронов скорость порядка двенадцати метров в секунду, а скорость дырок составляет всего лишь два с половиной метра в секунду. А в некоторых интерметаллических соединениях скорость электронов достигает более полукилометра в секунду.

Н. — Что это за интерметаллические соединения, которые ты неожиданно суешь мне под нос?

Л. — Это полупроводники, представляющие собой комбинацию трехвалентных и пятивалентных элементов…

Н. — …комбинацию, дающую в среднем валентное число четыре, т. е. такое же, как у германия и кремния. Можешь ли ты назвать мне некоторые такие комбинации?

Л. — Пожалуйста. Из комбинации пятивалентной сурьмы и трехвалентного галлия, например, можно получить транзисторы. Трехвалентный индий в комбинации с пятивалентным фосфором даст полупроводниковый материал, используемый для производства некоторых диодов. Удалось даже использовать соединение кадмия (валентное число — два) с селеном (валентное число — шесть) для изготовления фотоэлементов. Интерметаллические полупроводниковые материалы, являясь предметом активных исследований, открывают интересные перспективы будущего…

Н. — Дорогой друг, давай вернемся к нашим овцам… на трех ногах. Я хотел бы знать, чем различаются эмиттер и коллектор. В транзисторе р-n-р оба они типа р (так же как в транзисторе n-р-n они оба типа n). Не свидетельствует ли это об их взаимозаменяемости?