Создание мощной копии.

(В главное меню)

    Всякое электронное устройство - это своеобразный мир электрических сигналов Здесь они зарождаются и умирают, сюда сигналы приходят из других устройств, из других электронных миров, чтобы, пробежав по многочисленным электрическим цепям, претерпев множество самых удивительных превращений, обернуться прекрасной мелодией, красочной картинкой на телевизионном экране или включением тормозного двигателя на космическом корабле

    Одна из самых распространенных операций с электрическими сигналами - это их усиление Сигналы приходится усиливать из-за того, что тем или иным электронным устройствам для их нормальной работы нужны сигналы значительно более мощные, чем имеются в наличии Один пример мы уже упоминали (Т-122)-мощность электрических сигналов на выходе микрофона менее миллиардных долей ватта, а громкоговорителю требуются ватты Такие же примеры можно найти в магнитофоне и электропроигрывателе, где после считывания записи с пленки или с пластинки появляются чрезвычайно слабые электрические сигналы Еще пример к антенне приемника радиоволны приносят электрический сигнал в тысячные доли микроватта, а громкоговорителю нужны все те же ватты И в телевизоре мощность сигнала нужно увеличить в миллиарды раз, чтобы можно было нарисовать картинку на экране Усиление необходимо во многих устройствах автоматики и телеуправления, в таких, например, как автоматический контролер метро, который по слабенькому сигналу от фотоэлемента с силой выталкивает заградительные рычаги, если вы, задумавшись, забыли опустить пятачок

    Коротко говоря, электрический сигнал приходится усиливать во всех случаях, когда появляется несоответствие между «нужно» и «есть» А это несоответствие в электронных системах сбора, передачи, хранения и переработки информации наблюдается очень часто

    Начнем с примера, который не имеет никакого отношения к электронным схемам, но зато помогает легко понять, в каком именно смысле применяется слово «усиление», когда речь идет об электрических сигналах

    С некоторого времени знаменитая футбольная команда «Гювейч» из города N неожиданно для всей спортивной общественности начала вписывать в турнирную таблицу один ноль за другим И болельщики только о том и говорят, как усилить любимую команду, как улучшить ее игру Из всех высказанных предложений остановимся на двух Первое предложение Резко увеличить время тренировок и занятий по тактике футбола Улучшить питание футболистов, условия их отдыха Результат - команда играет лучше, сильнее, происходит усиление команды Второе предложение Тренера сменить Команду расформировать, пригласить новых, более сильных игроков Результат-команда играет лучше, сильнее, произошло усиление команды Но, может быть, в этом случае правильнее было бы говорить не об усилении, а о замене? Нет, нети нет-отвечают болельщики Замена игроков - это мелочь, второстепенная деталь Главное в том, что команда с тем же названием «Гювейч», выступающая в той же форме (оранжевые майки, фиолетовые трусы), защищающая футбольную честь того же прекрасного города N и пока занимающая в турнирной таблице все то же последнее место, стала играть лучше А значит, произошло не что иное, как усиление команды Примерно такой смысл имеет слово «усиление» в радиоэлектронике При усилении слабого электрического сигнала с помощью дополнительных источников энергии создается новый мощный сигнал, который, однако, сохраняет главную особенность слабого-характер изменения, форму графика Иными словами, усиление слабого электрического сигнала - это создание его мощной копии

    Давайте просверлим в нижней части ведра небольшое отверстие (это вполне может быть мысленный эксперимент, то, что в нем должно произойти, легко увидеть силой воображения, и наносить ущерб хозяйству, делая дырку в ведре, совсем не обязательно), наполним ведро водой и подставим под струю небольшую вертушку с лопастями, некоторое подобие рабочего колеся водяной мельницы (Р-76. 1) Вначале, когда воды в ведре много, из отверстия вырывается довольно сильная струя, колесо вращается быстро По мере того как уровень воды падает, струя становится все более вялой и вращение колеса замедляется Это нормальный процесс передачи энергии потенциальная энергия поднятой на высоту воды переходит в кинетическую энергию струи, а она в свою очередь передается коле су-вертушке Если не думать о потерях, то можно сказать, что сколько дает источник энергии (вода в ведре), столько и получает потребитель (вертушка) И на сколько уменьшится или увеличится энергия, которую поставляет источник, на столько же уменьшится или увеличится и энергия, получаемая потребителем

    А теперь на пути воды поставим заслонку и, двигая ее вперед-назад, будем менять поток воды Казалось бы, в самом процессе передачи энергии не произошло никаких изменений кто давал энергию, тот и дает, кто получал, тот получает, сколько энергии было отдано, столько и получено Но в действительности заслонка внесла в эту систему нечто принципиально новое легким движением руки перемещая заслонку, можно значительно менять интенсивность потока воды Образно говоря, затрачивая микроватты, можно менять мощность потока на целые ватты И вывод с помощью заслонки мы и создали усилитель, создали систему, в которой слабое воздействие управляет мощными потоками энергии Усилительные системы чрезвычайно распространены в природе, в технике их роль тоже очень велика и, может быть, даже еще до конца не осознана Вот лишь несколько примеров, показывающих, что могут механические, гидравлические, химические, биологические, экономические и разные прочие усилители Легкое дуновение ветра лишь слегка подтолкнуло огромную скальную глыбу, нависшую над краем пропасти, глыба пошла под откос, перегородила горный поток, заставила его изменить русло и постепенно смыть огромную гору

    Небольшое количество катализатора, введенного в химический реактор, резко изменило ход химических процессов, во много раз ускорило превращение одних веществ в другие Разумные указания консультанта-технолога позволили лучше использовать производственные мощности завода и увеличить выпуск продукции на сумму, во много раз превышающую зарплату консультанта Вирус, попав на командный пункт живой клетки, заставил ее так изменить свою работу, что клетка начала сама огромными тиражами выпускать вирусы

    Все эти примеры не более чем информация к размышлению А вот следующий пример, который представлен в виде привычного уже мысленного эксперимента, открывает прямой путь к настоящим усилителям электрических сигналов. События разворачиваются в простейшей электрической цепи, в которую входит источник энергии-аккумулятор, нагрузка-лампочка и еще переменный резистор - реостат, выполненный в виде вертикально натянутой проволоки со скользящим контактом (Р-76, 2) Подвижный контакт этот ходит по проволоке настолько легко, что если подвесить к нему стограммовую гирьку, то контакт буквально за секунду переместится сверху вниз, изменив сопротивление реостата от 9 Ом до 1 Ом

    А сейчас мы выполним несколько простейших арифметических операций, и они приведут нас к выводу, важнейшему для всей электроники Для начала вспомним про две расчетные формулы I = U/R и Р = IA(2)*R fP-22. 3 и Р-27. 2) Согласно этим формулам, напишем два выражения-для тока в цепи лампочки 1л = Ur/(Rn + Rp) (он определяется суммой двух сопротивлений-лампочки Rn и реостата Rp) и для мощности, которая выделяется в лампочке, Рл = 1лА2 * Rn Теперь, пользуясь этими выражениями, подсчитаем ток в цепи и мощность, выделяемую в лампочке, для двух случаев - когда сопротивление реостата равно 9 Ом и когда оно равно 1 Ом, после того как движок реостата опустился вниз Вот результаты этих несложных расчетов (сопротивление лампочки-3 Ом)

    В случае, когда Rp = 9 Ом (движок вверху), получим ток1л = 12 В/(3 Ом + 9 Ом) = 1 А и мощность Рл = IA2*A* 3 Ом = 3 Вт В случае, когда Rn = 1 Ом (движок внизу), получим ток I = 12Вт/(ЗОм + 1 Ом) = 3я А и мощность Рл=3А2А* 3 Ом = 27 Вт И наконец, последняя арифметическая операция Теперь нетрудно подсчитать, что мощность 1 Вт, затраченная на перемещение подвижного контакта (100 гл 1 м = 1 Дж, 1 Дж/1 сек= 1 Вт), приводит к изменению электрической мощности, которую получает нагрузка, лампочка на 24 Вт (от 3 до 27 Вт), и это можно назвать эффектом усиления за изменение на 1 Вт мы получили изменение на 24 Вт

    Управляющий сигнал - перемещение движка реостата - сам ничего нагрузке не добавил и не убавил Всю энергию лампочка получает только от аккумулятора А эффект усиления появился только потому, что на одном перекрестке встретились, сошлись в одном физическом процессе два совершенно разных явления, две различные зависимости, до этого не знавшие друг друга, не имевшие друг к другу никакого отношения,-зависимость сопротивления реостата от положения движка и зависимость тока в цепи от сопротивления реостата Такие пересечения физических процессов, такие пары зависимостей в природе образуются как бы сами собой, зачастую совершенно случайно С одним примером мы уже знакомы каменная глыба, если незначительно сдвинуть ее, падает с обрыва, совершая при этом огромную разрушительную работу, и даже легкий порыв ветра может произвести небольшое начальное перемещение глыбы, столкнув ее с обрыва В технике искусственно объединяют два разных независимых физических процесса, подбирают эти пары «пересекающихся» процессов таким образом, чтобы один из них сильно влиял на другой, чтобы можно было получить эффект усиления Лучшим примером является усилитель электрических сигналов, до которого нам теперь остался уже буквально один шаг

    Чтобы усилить электрический сигнал, в разных типах усилителей объединяют парами самые разные физические процессы В наиболее распространенных усилительных приборах - транзисторах и электронных лампах - используют такой принцип слабый усиливаемый сигнал тем или иным способом меняет сопротивление цепи, в которой внешний источник энергии, например аккумулятор или гальванический элемент, создает постоянный ток Под действием меняющегося сопротивления постоянный ток перестает быть постоянным, он меняется, следуя за всеми изменениями слабого сигнала Так за счет энергии внешнего источника создается мощный сигнал, точная копия слабого Реализовать этот принцип можно даже в нашей установке с реостатом, для этого нужно соорудить для подвижного контакта реостата систему электрического привода Скажем, приводить в движение подвижный контакт миниатюрным электромоторчиком или электромагнитом, энергию которым давал бы сам усиливаемый сигнал В электронных усилителях этот принцип реализуют так сопротивление участка цепи меняют, «впрыскивая» в него то или иное количество свободных электрических зарядов (Р-76. 3,4) На само это «впрыскивание» тратится сравнительно небольшая мощность, а сопротивление меняется так, что происходит значительное изменение мощности, выделяемой на данном участке цепи

    Если вы помните, сама характеристика «сопротивление» говорит о том, легко или трудно генератору создавать ток в проводнике (Т-23) Чем больше в проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем более массовым будет упорядоченное движение зарядов под действием электродвижущей силы, тем больше будет ток Иными словами, чем больше в проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем меньше сопротивление этого проводника В электронных усилителях роль такого проводника с меняющимся сопротивлением выполняет сам усилительный прибор - электронная лампа или транзистор

    Слабый усиливаемый сигнал подводится к лампе или транзистору и управляет имеющейся там своего рода «заслонкой», которая увеличивает или уменьшает количество свободных зарядов, создающих электрический ток, то есть фактически меняет сопротивление приборов (Р-76, 3,4) Мы начнем с того, что посмотрим, как работает такая «заслонка» в транзисторе, как слабый сигнал меняет сопротивление этого усилительного прибора, меняет ток в его цепи Но до этого нам еще предстоит провести кое-какую подготовительную работу В частности, познакомиться с некоторыми процессами в полупроводниках

    Как уже говорилось (Т-18), из всех электронных орбит атома нас прежде всего интересует внешняя, на которой может находиться до восьми электронов Напомним, что фактически у каждого электрона своя собственная орбита и правильнее говорить не об одной внешней орбите, а о внешнем электронном слое, в котором может быть до восьми орбит Но в соответствии с T-8 мы идем на сильное упрощение и считаем, что все электроны того или иного электронного слоя бегают по одной общей дорожке Этот особый интерес к внешней орбите имеет несколько причин Во-первых, именно внешние электроны могут уходить из атома, свободно блуждать в межатомном пространстве, при случае включаясь в электрический ток Во-вторых, именно внешние электронные орбиты участвуют в «сшивании» атомов, в создании молекул И наконец, на внешних электронных орбитах происходят некоторые события, в результате которых и появляются полупроводниковые усилительные приборы - транзисторы

    Итак, на внешней орбите атома может быть до восьми электронов И вот что очень важно атом всегда стремится к этой восьмерке, к тому, чтобы его внешняя орбита была заселена, чтобы число электронов в ней было доведено до возможного разрешенного максимума И если на внешней орбите меньше восьми электронов, то атом при первом же удобном случае стремится притянуть к себе чужой электрон Причем обязательно вместе с ч^жим атомом (Еще раз напоминаем чтобы правильно понять выражения «сшивание атомов», «атом стремится», «электроны бегают» и другие подобные, необходимо ознакомиться с разделом T-8)

    Но зачем же, спросите вы, тащить к себе на орбиту электрон вместе с атомом, когда вокруг бегают свободные электроны'? А дело в том, что атом в целом - нейтральная система, суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра Вся эта система точно подогнана, крепко связана электрическими силами и ни на какие лишние детали не рассчитана В большинстве случаев просто нету атома тех сил, которые могли бы удержать на внешней орбите лишний электрон И, попав на эту орбиту, лишний электрон очень быстро слетает с нее (Р-78, 1), несмотря на все «желание» атома иметь восьмерку, иметь заполненную внешнюю орбиту (не забывайте о T-8) Другое дело, если место на внешней орбите займет электрон, который одновременно вращается по своей собственной орбите в своем собственном атоме В этом случае возникнет некая объединенная орбита, она проходит через оба атома и крепко стягивает, связывает их друг с другом (Р-78, 2) Появление лишнего электрона на орбите теперь уже не нарушит электрического равновесия, не встретит какого-либо противодействия Создание объединенных орбит - это основное средство сшивания атомов в молекулы и один из важных способов объединения молекул в сложные химические соединения

    Среди всех известных типов атомов совершенно особое место занимает углерод Достаточно сказать, что изучением углеродных соединений занимается самый большой раздел химии - органическая химия И число таких соединений исчисляется сотнями тысяч, составляет большую часть всех известных химических соединений

    Многообразие устойчивых соединений углерода связано с тем, что у него на внешней орбите - четыре электрона и четыре свободных места, которые н^жно заполнить для получения восьмерки (Р-78, 3) Благодаря такой своеобразной симметрии на основе углерода рождаются изумительные архитектурные шедевры, к числу которых относятся и все молекулы живой природы Самое прочное, самое устойчивое углеродное сооружение - кристалл алмаза Здесь каждый атом углерода отдает четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них, по одному от каждого соседнего атома И тот электрон, который получает внешняя орбита, и тот, что она отдает, становятся общими для обоих атомов - отдающего и получающего Поэтому на внешней орбите каждого атома вращается заветная восьмерка - четыре своих электрона и четыре соседних Для простоты на Р-78, 4 алмазоподобная структура показана на примере некоторого условного атома углеродного семейства, у которого одна только внешняя орбита с четырьмя электронами и четыре протона в ядре

    Существуют и другие химические элементы с четырьмя электронами на внешней орбите К их числу относятся полупроводники германий и кремний (Р-78, 3), атомы которых устанавливают такие же связи, как углерод в алмазе (четыре даю, четыре получаю), и образуют алмазоподобную кристаллическую структуру

    Электрические свойства того или иного материала часто оценивают так вырезают из этого материала кубик со стороной 1 см и измеряют его электрическое сопротивление (Р-77. 1) Эту величину называют удельным сопротивлением (С-З.Т-35). единица его измерения-Ом/см (здесь отражено то, что сторона кубика 1 см) Удельное сопротивление нихрома, одного из самых скверных проводников,-0,00011 Ом/см (серебра-почти в сто раз меньше) А удельное сопротивление бумаги, одного из самых скверных изоляторов,-примерно 100000000 Ом/см (фарфора-в миллион раз больше) Вещества, которые находятся в промежутке между этими самыми сопротивляющимися проводниками и самыми проводящими изоляторами, называют полупроводниками, хотя с таким же успехом их можно было бы называть и полу изоляторами Кристаллы германия и кремния тоже относятся к числу полупроводников удельное сопротивление первого-примерно 50 Ом/см, второго-1000000 Ом/см При температуре абсолютного нуля (-273,2 град С) германий и кремний - идеальные изоляторы Но как только температура несколько повышается, тутже из-за тепловых колебаний атомов с некоторых внешних орбит выскакивают электроны и уходят в межатомное пространство Атомов, не сумевших удержать на месте свои электроны, относительно немного, иначе вместо полупроводника мы имели бы просто проводник В германии, например, при комнатной температуре появляется лишь один свободный электрон на миллиард атомов, в кремнии свободных электронов во много раз меньше Под действием электрического напряжения свободные электроны, блуждающие в межатомном пространстве, сразуже включаются в электрический ток, упорядоченно смещаются от «минуса» к «плюсу» Как принято говорить, свободные электроны создают п-проводимость (л - первая буква слова negativus-отрицательный, этим словом подчеркивается, что ток создают свободные отрицательные заряды, электроны)

    Выскочив на свободу, электрон превратил свой до этого нейтральный атом в положительный ион (Р-77, 2) -раз в атоме не хватает электрона, значит, его суммарный положительный заряд больше отрицательного (Т-19) Такой атом сдвинуться с места не может, он прочно закреплен в кристаллической решетке И долго, казалось бы, должен стоять на месте этот одинокий положительный ион, дожидаясь, пока какой-нибудь электрон-путешественник случайно наткнется на пустующее место во внешней орбите, вернет атом в состояние электрического равновесия

    И вот здесь на сцене появляется еще одно действующее лицо, которое так и хочется назвать электроном-перебежчиком Это электрон из соседнего атома Он быстро и легко перескакивает на пустующее рядом с ним место, превращает положительный ион в нейтральный атом, а свой собственный атом - в положительный ион И если отвлечься от второстепенных подробностей, то можно считать, что произошло перемещение положительного иона, хотя все атомы и остались на месте

    Положительный заряд атома, который появляется из-за того, что на внешней орбите не хватает электрона, называют «дыркой». В лолупроводниках дырки ведут себя подобно свободным электронам - они хаотически перемещаются по кристаллу, а под действием приложенного напряжения сразуже включаются в электрический ток, упорядоченно смещаются, но уже, конечно, от «плюса» к «минусу» (Р-77, 2, 6) Как принято говорить, дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква слова positivus - положительный, этим подчеркивается, что ток создают свободные положительные заряды, дырки)

    В чистом, натуральном полупроводнике число свободных электронов и свободных дырок одинаково, в этих полупроводниках в равной мере существует электронная и дырочная проводимость Но с помощью определенных примесей можно нарушить это равенство и создать полупроводники с сильным преобладанием электронной или дырочной проводимости, полупроводники п-типа и р-типа

    Алмазоподобные кристаллы отличаются весьма устойчивой структурой, в них трудно нарушить красивую симметричную систему межатомных связей Образно говоря, в алмазоподобных кристаллах действует правило «Структура важнее всего»

    Представьте себе, что в расплавленный германий или кремний во время их кристаллизации вводят небольшое количество мышьяка, у атомов которого на внешней орбите пять электронов (Р-78. 5) Атом мышьяка займет место в кристаллической решетке-а куда ему еще деваться!- но при этом он вынужден будет выбросить со своей внешней орбиты один электрон Потому что алмазоподобная структура требует, чтобы каждый атом установил связь только с четырьмя соседями - структура важнее всего Таким образом, с добавлением мышьяка в кристаллической решетке появится некоторое количество неподвижных положительных ионов - атомов мышьяка с недостающими электронами, а в межатомном пространстве при этом, естественно, появится такое же количество свободных электронов Германий (кремний) превратится в полупроводник п-типа Мышьяк и другие примеси, благодаря которым в полупроводнике появляется заметное количество свободных электронов, называют донорами (дающими), имея в виду, что они как бы отдают полупроводнику свои электроны, создают в нем электронную проводимость совершенно новый сорт основных свойств материи - ядерные силы Это не гравитация, не электричество, не магнетизм Действуют ядерные силы совершенно самостоятельно, причем только на очень небольших расстояниях Именно они каким-то своим собственным способом стягивают расталкивающие друг друга составные части атомного ядра А потом открыли еще одно фундаментальное свойство материи, еще один вид особых сил - их назвали слабыми, хотя действуют эти слабые силы во много раз сильнее, чем гравитация Вот так-то Все было просто, была одна гравитация, а теперь-вон сколько открылось основных свойств материи Мир намного сложней, чем кажется человеку, который, подобно своему доисторическому предку, видит лишь то, что видно с первого взгляда Н^жно, правда, отметить, что современная физика пытается, в каком-то смысле, упростить открывавшуюся ей сложную картину мира в современной физике господствует представление о единой природе, о «великом объединении» всех известных сил - сильных, слабых, электромагнитных, гравитационных Могучие силы теории и эксперимента направлены на то, чтобы выявить эту единую природу Причем на этом пути есть уже огромное достижение-экспериментально подкреплена теория, объединившая электромагнитные и слабые силы в единое, как его называют, электрослабое взаимодействие

    Но вернемся, однако, от этой высокой физики к делам простым и практически важным

    Электричество и гравитация в чем-то очень похожи, и работают они по очень похожим правилам Гравитационное притяжение тем сильней, чем больше взаимодействующие массы, электрическое-чембольше заряды А если раздвигать взаимодействующие тела, увеличить расстояние между ними, то обе силы - электричество и гравитация - резко ослабевают (Р-2)

    Для того чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «гравитация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики Достаточно положить его на ладонь Мы непосредственно воспринимаем массу, ощущаем ее, чувствуем массу своего тела, массу покупки, которую несем из магазина, массу упавшего на ногу камня Электрический заряд, конечно, на ощупь не почувствуешь, в реальность электричества можно поверить, лишь проделав специальные опыты К тому же масса - понятие привычное, мы привыкали к нему миллионы лет А с электричеством сталкиваемся несколько десятилетий Но электричество сегодня уже играет в нашей ЖИЗНИ такую важную роль, что силой мысли, силой воображения нужно отвести ему достойное место в своей картине мира В него н^жно неотвратимо поверить, к нему привыкнуть Нужно привыкнуть

    А теперь добавим в германий или кремний некоторое количество индия, в атомах которого на внешней орбите всего три электрона (Р-78. 6) Индий, как и мышьяк, займет место в кристаллической решетке, ему тоже больше некуда деваться И индий тоже должен установить связь с четырьмя своими соседями Поэтому при первой же возможности атом индия заберет у соседнего атома германия (кремния) один электрон, добавит к своим трем и превратится при этом в отрицательный ион А атом германия, у которого индий увел электрон, станет обычной дыркой Таким образом, с добавлением индия в германий (кремний) в нем появится некоторое количество неподвижных отрицательных ионов и такое же количество свободных положительных зарядов-дырок Германий (кремний) станет полупроводником с р-проводимостью Индий и другие подобные примеси называют акцепторами (отбирающими), имея в виду, что они отбирают у атомов полупроводника электроны, превращают эти атомы в дырки, создают в полупроводнике дырочную проводимость

    На пути к транзистору мы познакомимся еще с одним полупроводниковым прибором - диодом Это знакомство необходимое, даже неизбежное - транзистор, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода, соединенных в одном кристалле И в то же время знакомство с диодом имеет и свое собственное важное значение Полупроводниковый диод - прибор больших возможностей, он находит широкое применение в электронной аппаратуре

    Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла (Р-79. 1, 2) один с р-проводимостью (это зона р), другой-с п-проводимостью (это зона п) Фактически же полупроводниковый диод - это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная (зона р) К зоне р и к зоне п (иногда говорят не «зона», а «область») тем или иным способом присоединены проводники, выводы диода, с помощью которых он соединяется с внешним миром, включается в электрическую цепь

    Руководствуясь замечанием Т-8, забудем на время обо всем, что происходите полупроводниках, и будем представлять себе вещество с п-проводимостью как некий объем, заполненный свободными электронами (на рисунках они условно обозначены белыми шариками), а вещество с р-проводимостью как объем с какими-то свободными положительными зарядами (на рисунках черные шарики) К подробностям будем обращаться лишь по мере необходимости Например, для того, чтобы объяснить, почему свободные электроны и свободные дырки в диоде не устремляются навстречу друг другу, почему не происходит их взаимной нейтрализации

    Вспомните, что, помимо свободных зарядов, в полупроводниках с примесями имеются еще и неподвижные ионы - в зоне п это неподвижные положительные ионы донора, например мышьяка, в зоне р - неподвижные ионы акцептора, например индия В нормальном состоянии полупроводник нейтрален, число свободных зарядов и неподвижных ионов, число «плюсов» и «минусов» в нем одинаково Но как только первые электроны покинут зону л, она окажется наэлектризованной, в ней начнет действовать суммарный положительный заряд лишних ионов И эти ионы начнут тянуть свободные электроны обратно, мешать их движению в сторону границы (Т-8) Точно также отрицательные ионы будут мешать свободным дыркам уходить из зоны р В итоге между зонами будет существовать пограничная линия, точнее, очень узкая пограничная зона, отделяющая область свободных положительных зарядов от области свободных электронов Эта пограничная область называется рп-переход (звучит так-«пэ-эн-переход») С событиями в рп-переходе связана работа всех полупроводниковых приборов, в частности диодов

    Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне л (Р-79. 3),то свободные заряды-электроны и дырки-хлынут к границе, устремятся к рп-переходу (Т-8) Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток Это так называемое прямое включение диода - заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток

    Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение-«плюс» батареи подключим к зоне л, «минус» - к зоне р Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы (Р-79, 4), электроны отойдут к «плюсу», дырки - к «минусу» и в итоге рп-переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится

    Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) - электронов, в зоне л и дырок в зоне р - в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов (Т-128), и именно они и создают обратный ток через диод Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого Неприятно то, что ток этот зависит от температуры - при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается и обратный ток растет(Р-79, 4)

    О событиях в полупроводниковом диоде рассказывает его основная характеристика - зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения (Р-80) На некоторые участки этой, как ее называют, вольт-амперной характеристики следует обратить внимание Прежде всего мы видим, что на ее прямой ветви есть небольшой загиб, ступенька - в области малых напряжений (у германия примерно до 0,2 В, у кремния-до 0,6 В) прямой ток нарастает незначительно Такой загиб характеристики появляется вследствие некоторых сложных процессов в рп-переходе, он может стать причиной нелинейных искажений сигнала (Т-114, Т-117)

    В области обратных напряжений ток почти не меняется все собственные неосновные носители сразуже включаются в движение, и обратный ток сразу достигает своей предельной величины

    Но вот при некотором обратном напряжении, превышающем допустимую величину U обр доп , обратный ток резко нарастает Это происходит быстрое лавинообразное разрушение структуры полупроводника, и диод выходит из строя Кстати, возможны два разных, но одинаково трагичных повреждения диода - разрыв, отгорание контактов внутри прибора или короткое их замыкание, превращение диода в обычный проводник Допустимое обратное напряжение входит в число основных параметров диода (С-14), напряжение это, естественно, ни в коем случае нельзя превышать

    Другой ограничивающий параметр-допустимый прямой ток/доп Проходя через диод, прямой ток выделяет в нем некоторую тепловую энергию, нагревает прибор А нагревание очень опасно для полупроводниковых материалов, оно увеличивает количество неосновных носителей заряда Вот почему приходится ограничивать величину прямого тока и еще ограничивать рабочую температуру полупроводниковых приборов Для германиевых диодов и транзисторов предельная рабочая температура +60 град С, а для кремниевых она значительно выше-до+150град С

    Есть у полупроводникового диода еще два важных параметра-его прямое и обратное сопротивление, то есть сопротивление при разной полярности приложенного к диоду напряжения (Р-79, 3,4) У плоскостных диодов, в которых площадь соприкосновения зон пир сравнительно велика, прямое сопротивление обычно не более нескольких Ом, обратное - несколько кОм или несколько десятков кОм У точечных диодов, где площадь рп-перехода мала (Т-136), прямое сопротивление-несколько десятков Ом, обратное - сотни кОм и даже несколько МОм Во всех случаях прямое сопротивление во много раз меньше обратного, и в этом, собственно говоря, отражена так называемая односторонняя проводимость диода Под действием напряжения диод пропускаетток, и в электрическую цепь он входит как резистор Но конечно же, диод принципиально отличается от нормального резистора, сопротивление которого одинаково при любых направлениях тока И, рассматривая поведение диода в электрической цепи, его приходится считать либо большим, либо малым сопротивлением, в зависимости от полярности приложенного напряжения, в зависимости от направления тока

    До сих пор мы подводили к диоду постоянные напряжения, теперь попробуем подвести переменное Что при этом произойдет, легко узнать, если к вольт-амперной характеристике (Р-80) пристыковать график переменного напряжения, подобно тому, как мы это делали, рассматривая работу громкоговорителя (Р-73) Пользуясь этими двумя состыкованными графиками - вольт-амперной характеристикой и графиком переменного напряжения,-легко построить третий, график тока, который пойдет в цепи диода (Р-81) Без всяких пояснений видно, что по характеру изменения ток, а вместе с ним и выходное напряжение, ужке совершенно не похож на входное напряжение В одну сторону идут значительные импульсы прямого тока, в другую - ничтожно малые импульсы обратного тока В большинстве случаев можно вообще пренебречь этими небольшими всплесками обратного тока и считать, что в цепи диода есть только токовые импульсы одного направления Как видите, диод производит чрезвычайно сложную операцию-искажает форму сигнала, резко меняет его спектр, создает сильные нелинейные искажения Такие искажения сигнала в ряде случаев совершенно необходимы, и во многих схемах диод оказывается основным действующим лицом (Т-281)

    Полупроводниковый диод-это своего рода конденсатор зону п и зону р можно рассматривать как обкладки конденсатора, область рп-перехода-как изолятор между обкладками (Р-82. 1) Емкость полупроводникового диода - это бесплатное приложение к его основному электрическому свойству - к односторонней проводимости И нужно сказать, во многих случаях приложение весьма вредное Так, в частности, собственная емкость диода создает нежелательный обходной путь для переменного тока, который нужно направить через диод (Р-82, 4)

    Чтобы поднять допустимую величину прямого тока, площадь рп-перехода в диоде нужно увеличивать - при этом уменьшится прямое сопротивление диода, уменьшится выделяемая на нем тепловая мощность (Р = /A(2)*R), а значит, и опасность перегрева Но одновременно возрастает собственная емкость диода - чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше его емкость Там, где такая емкость недопустима, скажем в цепях переменного тока высокой частоты, применяются точечные диоды (Р-82, 2) В них рп-переход имеет очень небольшую площадь, он образуется в месте прикосновения тонкой проволочки к кристаллу Естественно, что точечные диоды не могут пропускать большой ток (С-14), но, к счастью, в подавляющем большинстве случаев от них это и не требуется В то же время есть тип полупроводниковых диодов, где главным работающим параметром становится «бесплатное приложение» к односторонней проводимости - собственная емкость диода Это варикапы, полупроводниковые диоды, которые используются в качестве конденсаторов переменной емкости Много лет назад, когда варикапов не было и в помине, радиолюбители применяли вместо конденсатора настройки обычные плоскостные диоды - их включали, например, в колебательный контур, одновременно подавали на диод обратное напряжение и меняли его с помощью потенциометра (Р-80) При этом менялась собственная емкость диода, так как менялось расстояние между «обкладками»-чем больше обратное напряжение, тем сильнее оттягиваются р- и п-области от пограничной линии (Р-82, 5) Достаточно велик список профессий диода, в которых используется не его односторонняя проводимость, а прежде всего совсем иные свойства и процессы В этом списке, например, открывание диода и пропускание прямого тока лишь под действием света (фотодиод), который определенным образом меняет свойства того или иного полупроводникового материала В этом списке и излучение света в светодиодах - в излучение превращается часть энергии прямого тока Такие светящиеся диоды можно увидеть в некоторых современных телевизорах возле кнопок переключения программ Светоизлучающими диодами также высвечивают цифры в некоторых микрокалькуляторах и электронных часах - для этого используют семисегментные светодиоды.то есть приборы, где конструктивно объединены семь диодов-штрихов, разные их сочетания дают цифры от 0 до 9 (К-21, 4) Особого типа излучающие диоды - основа полупроводниковых лазеров здесь, как и в светодиодах, излучение возникает за счет энергии прямого тока и излучателями становятся сами атомы полупроводникового кристалла Иной механизм излучения у диодов Ганна, где под действием тока излучается уже не свет, а радиоволны Здесь главную роль играют электрические домены - своего рода острова электрического поля в кристалле Уместно вспомнить еще и туннельный диод, в числе основных профессий которого тоже генерирование высокочастотных колебаний - здесь, благодаря тонким физическим процессам в рп-переходе (туннельный эффект), у диода при определенном режиме появляется так называемое отрицательное сопротивление диод не отбирает энергию, а как бы отдает ее в ту цепь, куда включен Сложные физические процессы определяют важнейшее качество диода-стабилитрона, позволяющего поддерживать неизменным режим электрической цепи при случайных изменениях питающего напряжения (Т-286.Р-171)

    Нетрудно понять человека, который, познакомившись со сложным физическим процессом по его краткому и упрощенному описанию с картинками, испытывает некоторые сомнения Откуда известно, что все происходит именно так? Как доказать, что добавление индия действительно создает в германии или кремнии дырочную проводимость? Что при одной полярности напряжения заряды оттягиваются от рп-перехода, а при другой полярности - устремляются к нему? И что он вообще существует, этотрп-переход, что есть зоны разной проводимости в совершенно однородном по внешнему виду кристаллике?

    Процессы, которые происходят в полупроводниковых приборах, конечно же, тщательно исследованы специалистами Более того, создание диодов и транзисторов стало возможным только благодаря тому, что физики глубоко проникли в самые тонкие механизмы взаимодействия атомов, изменения структуры вещества, поведения его в разных условиях Сегодня исследователи полупроводниковых кристаллов могут не только экспериментально доказать, что добавление индия создает в германии или кремнии дырочную проводимость Они могут точно определить количество дырок или свободных электронов в единице объема, измерить время жизни свободных зарядов, среднюю скорость их перемещения в электрическом поле С помощью электронного микроскопа исследователи могут просто увидеть рп-переход, проследить за процессами, которые в нем происходят при прямом и обратном включении

    У вас под руками нет, по-видимому, электронного микроскопа и других приборов, которые помогли бы прямыми опытами и демонстрациями проиллюстрировать рассказ о событиях в полупроводниковом диоде Но вы все же можете провести эксперимент, который, по крайней мере, докажет правдоподобность выводов об односторонней проводимости рп-перехода Причем не мысленный эксперимент, как часто бывало раньше, а настоящий, «в металле» Для него н^жны батарейка, лампочка и любой плоскостной диод Весь ход эксперимента показан на Р-79. 5 Он безоговорочно подтверждает диод пропускает ток в одну сторону, его прямое сопротивление мало, а обратное - велико

    Слово «транзистор» происходит от слов «трансфер» (в переводе с английского- «преобразователь») и «резистор» Немного позже (Т-141) появится возможность пояснить, с чем именно связано такое название, а пока несколько слов об устройстве прибора Можно сказать, что транзистор представляет собой два полупроводниковых диода, с одной общей проводящей зоной (Р-83) В зависимости от типа проводимости этой общей зоны могут быть и два типа транзисторов, с двумя разными последовательностями проводящих зон р-п-р и п-р-п (Р-83, 1,2) Такие транзисторы с разной структурой, или, как их принято называть, транзисторы разной проводимости, не отличаются по принципу действия, по своим основным характеристикам и возможностям Однако технология производства р-п-р транзисторов в какое-то время была проще, удобнее, и тогда они стали основным типом полупроводниковых усилительных приборов С того времени транзисторы со структурой р-п-р иногда называют транзисторами прямой проводимости, а со структурой п-р-п-транзисторами обратной проводимости

    Средняя зона транзистора называется базой, сокращенное обозначение - б Это название идет с давних времен, если, конечно, здесь применимо само это слово «давний» - транзистор изобретен всего лет сорок назад Тогда существовали только точечные транзисторы, у которых средняя зона была конструктивным основанием, базой прибора (Р-83. 3) Сейчас точечных транзисторов уже не делают, их полностью вытеснили более технологичные и совершенные плоскостные приборы, однако название рабочих зон, в том числе и название «база», остались без изменений С двух сторон к базе примыкают две зоны иной проводимости - эмиттер э (испускающий заряды) и коллектор к (собирающий заряды) По своим электрическим характеристикам коллектор и эмиттер в основном одинаковы - некоторые транзисторы работают, если по ошибке включить эмиттер вместо коллектора Однако они различаются конструктивно - коллектор делают более массивным (он должен выдерживать значительно большие тепловые нагрузки)

    На Р-83, 1, 2 в самом общем виде показана схема включения транзистора в усилитель электрических сигналов Транзистор позволяет практически осуществить систему усиления электрических сигналов, в которой слабый сигнал меняет сопротивление переменного резистора (реостата), включенного в цепь источника постоянного тока (Р-76) При этом эмиттерный рп-переход играет роль привода, он легко «перемещает движок реостата», роль которого играет коллекторная цепь

    Знакомство с полупроводниковым диодом мы закончили экспериментом доказывающим его одностороннюю проводимость Знакомство с транзистором начинаем с экспериментов, которые должны подтвердить, что он может быть использован для усиления электрических сигналов

    Основное оборудование, необходимое для этих опытов,- лампочка на 3,5 В, батарейка на 4,5 В, любой гальванический элементна 1,5 В, переменный резистор сопротивлением около 1 кОм и любой транзистор Как у него расположены выводы эмиттера, базы и коллектора, можно узнать по справочным рисункам (К-6)

    Первая серия опытов (Р-83, 7, 8, в мысленном эксперименте вместо омметра вполне можно включить лампочку и батарейку - чем ярче светится лампочка, тем, значит, больше ток и, следовательно, меньше сопротивление) - предварительная, она лишь подтверждает, что в р-п-р транзисторе есть два рп-перехода и его можно рассматривать как два диода с общей зоной п Для определенности мы выбрали р-п-р транзистор, но можно взять и транзистор п-р-п (сменив полярность всех батарей), результат опытов при этом не изменится Вторая серия опытов начинается с того, что лампочку на 3,5 В мы подключаем к источнику с напряжением 1,5 В и убеждаемся, что лампочка не горит Мало напряжение, по нити идет слишком слабый ток, в ней выделяется недостаточная тепловая мощность Однако напряжение 1,5

    В можно использовать для зажигания лампочки, если управлять этим процессом через транзистор (Р-83, 11) Здесь энергию для свечения лампочки дает коллекторная батарея 4,5 В, а напряжение 1,5 В от элемента лишь подает команду «Светить!» (Rorp- 100 Ом ограничивает базовый ток, этот резистор н^жен во всех случаях, когда мы от мысленных экспериментов переходим к опытам «в металле» и при этом напряжение на базу подаем от отдельной батареи)

    Следующий шаг плавное изменение управляющего напряжения с помощью переменного резистора (Р-183, 12) -ток в коллекторной цепи (о нем можно судить по яркости свечения лампочки) следует за всеми изменениями входного напряжения Значит, если подать на вход транзистора, то есть подвести к эмиттерному рп-переходу, реальный электрический сигнал, то в коллекторной цепи появится его мощная копия Переменный резистор в этом опыте - 1 килоом Убедившись на опыте в замечательных усилительных способностях транзистора, шагнем дальше, попробуем разобраться в том, как это делается

    Прежде всего обратите внимание на то, в какой полярности поданы напряжения на эмиттерный и коллекторный рп-переходы Коллекторная батарея подключена «минусом» к коллектору и «плюсом» к базе (в наших схемах «плюс» соединен с базой через эмиттер, есть схемы, где они соединяются непосредственно), и поэтому коллекторный переход, по сути дела, представляет собой диод, включенный в обратном Направлении, сопротивление его очень велико (Р-84. 6) А к эмиттерному рп-переходу напряжение подведено в такой полярности, что переход открыт и участок база-эмиттер ведет себя как диод, включенный в прямом направлении сопротивление его мало, через переход идет прямой ток

    Если бы коллекторный и эмиттерный рп-переходы были изолированы один от другого, то на этом описание событий и закончилось бы Но в р-п-р транзисторе у двух диодов общая зона п, и именно в ней вступает в действие новая сила - диффузия Диффузию нам приходится наблюдать довольно часто Например, когда в стакан воды попадает капля чернил и быстро окрашивает всю воду Это работает диффузия - «распространение вещества в среде, обусловленное неодинаковостью его концентрации за счет энергии теплового движения» Диффузия играет исключительно важную роль в работе транзистора Свободные положительные заряды - дырки (их приносит в базу эмиттерный ток) в результате диффузии быстро распространяются по всей базе и при этом, естественно, попадают в область коллекторного рп-перехода И вот тут-то и происходит самое главное - «минус» коллекторной батареи хватает положительные заряды и сильно тянет их к себе, в транзисторе появляется коллекторный ток Коллекторная цепь, до этого разорванная большим сопротивлением закрытого рп-перехода, начинает проводить ток его всегда готова создать коллекторная батарея, были бы свободные заряды И поэтому если меняется ток в эмиттерном переходе, то меняется ток и в коллекторном переходе, для которого эмиттерный переход просто-напросто дает сырье, поставляет свободные заряды (Т-8)

    Итак, мы нашли нужную пару независимых и в то же время «пересекающихся» физических процессов ток в цепи эмиттер-база и коллекторный ток Образно говоря, мы нашли «заслонку», которую искали (Т-126), нашли способ менять сопротивление реостата (коллекторная цепь) с помощью электрического сигнала (напряжение на участке база-эмиттер) Но сможет ли эта пара процессов давать усиление? Будет ли изменение мощности в коллекторной цепи больше, чем затраты мощности на создание тока в цепи эмиттер-база? Ответ на этот принципиальный вопрос - усилитель или ослабитель? - был получен нами еще «до того» в нескольких простейших экспериментах (Р-83. 11,12), доказавших с помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы

(В главное меню)