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.
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 Еб-э.
Л. — Это совершенно верно. Однако что происходит с теми немногочисленными дырками, которые, как ты говоришь, прореагируют на притяжение отрицательного полюса батареи Еб-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 Iб, 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 Ек-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?
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?
Л. — Нет, дорогой друг. И ты сам легко поймешь, почему. Если ток, идущий от эмиттера к базе, а затем к коллектору, имеет примерно одну и ту же величину, то этого нельзя сказать о напряжениях. Между базой и эмиттером напряжение невелико, а между коллектором и базой оно значительно выше.
Н. — Я понял. Так как произведение тока на напряжение дает мощность, то мощность, рассеиваемая со стороны коллектора, во много раз больше той, которая рассеивается между эмиттером и базой.