Соединим полупроводник, легированный по типу р, с полупроводником, легированным по типу n: оба вещества являются проводниками, но каждое по-своему. В полупроводнике р-типа это связано с большим количеством дырок; в полупроводнике n-типа это связано с большим количеством свободных электронов. Такое соединение называют диодом, и теперь мы рассмотрим, как он работает в электрической цепи.
Подключим к концам нашей установки батарею: сначала соединим «плюс» батарейки с полупроводником p-типа, а «минус» с полупроводником n-типа (➙ рис. 18.3.а).
Со стороны n-типа свободные электроны отталкиваются отрицательным полюсом батарейки и движутся в сторону p-типа. Там они заполняют дырки и снова становятся валентными электронами.
Со стороны p-типа валентные электроны могут переходить от дырки к дырке, притягиваемые положительным полюсом батарейки. В конце концов они выходят из проводника в электрический провод и движутся по нему до батареи.
Поскольку электроны уходят, на стороне p-типа образуются новые дырки: это компенсирует исчезновение дыр, занятых электронами, пришедшими со стороны n-типа. Аналогично со стороны n-типа отток свободных электронов к p-типу компенсирует приток свободных электронов от отрицательного полюса батарейки.
Мы видим, что диод позволяет беспрепятственное прохождение тока, когда батарея установлена в таком направлении. В этом случае говорят, что у диода прямое направление.
Рис. 18.3 – Принцип действия диода
Мы изобразили свободные электроны черными кружками, а дырки белыми. Условно принято, что направлением тока считается перемещение положительных зарядов, то есть это перемещение дыр (сплошные стрелки), а свободные электроны перемещаются в противоположном направлении (стрелки пунктиром).
(а) – положительный полюс батарейки соединен с полупроводником, легированным по типу p, а отрицательный – по типу n. Электроны, как и дырки, отталкиваются к стыку p-n в центре, где они перестраиваются. Потеря свободных электронов со стороны n компенсируется притоком электронов по проводу. Потеря дырок со стороны p компенсируется оттоком электронов в провод. В итоге движение электронов и дырок может продолжаться: ток сохраняется. Диод в прямом направлении.
(b) – отрицательный полюс батарейки соединен с полупроводником, легированным по типу p, а положительный – с n. Электроны, как и дырки, притягиваются за пределы диода, но при этом на стыке создается положительный заряд со стороны nи отрицательный со стороны p. Этот заряд создает силу, которая останавливает движение дырок и электронов: ток прекращается. Диод в запирающем направлении.
Изменим теперь направление батареи: «плюс» будет повернут к стороне n, а «минус» к стороне p (➙ рис. 18.3.b). Свободные со стороны n электроны на этот раз притягиваются положительным полюсом и движутся к внешней стороне диода. Таким образом, из-за оттока электронов ближе к центру образуется положительный заряд.
Между тем на стороне p очень мало свободных электронов: ни один свободный электрон не может прийти компенсировать созданный положительный заряд. Что касается валентных электронов, они могут перемещаться, только если рядом есть дырки, а поскольку со стороны n дырок очень мало, валентные электроны не могут туда прийти. Таким образом, на стыке p-n ток заблокирован.
Точно так же со стороны p валентные электроны перескакивают от дырки к дырке, пока не приблизятся к центру диода, отторгнутые отрицательным полюсом батареи: этот приток электронов создает в центре отрицательный заряд. Поскольку валентные электроны не могут уйти из этой зоны, покинув сторону n (как мы только что наблюдали), отрицательный заряд остается.
В итоге присутствие положительных и отрицательных зарядов в центре диода останавливает движение электронов, которое наметилось внутри диода.
Итак, если батарея расположена таким образом, на концах диода возникает напряжение («минус» со стороны p и «плюс» со стороны n), в то время как ток не может пройти по диоду (заряды заблокированы на стыке p-n). В этом случае говорят, что диод в запирающем направлении.
Диоды могут быть использованы для преобразования переменного тока в постоянный, благодаря тому что позволяют току двигаться только в одном направлении. Мы не будем останавливаться на этом: поскольку нашей целью является описание транзистора, мы не будем ничего усложнять.