Да, есть такое явление в «жисти» которое ну никак обойти не получается?! Это полупроводники, а точнее полупроводниковые приборы. А всё начиналось с небольшого открытия-изобретения... Американцы Джон Бардин и Вальтер Браттейн сварганили небольшой приборчик, типа усилитель на каких-то там кристаллах ещё в далёком 1948 году. Штуковину назвали ТРАНЗИСТОР! От английских слов, tran(sfer) «переносить»+(re)sistor« сопротивление». Хрень какая-то? Но нам этих американцев вот так с ходу и не понять?!! Но как бы-то не было, а с этого и началось радиотехническое светопреставление...
ПОВТОРИМ ХИМИЮ. Надеюсь Вы в школе слышали про какую-то химию? И даже вроде бы проходили, мимо! У меня в аттестате половой зрелости по химии даже 4! Правда, что-то я всё это помню смутно?! Так, что повторять придётся! А, как же иначе? Без этого никак?! Когда поступив в ВУЗ, радиотехнический конечно и узнав, что у нас будет химия, я затосковал! Каково же было моё удивление, что химия была более похожа на физику чем на химию?!! Во те на?! Но потом всё стало на свои места. Конечно наши воспоминания, так как бы между прочим, но всё же!
Итак, устройство атома. Да всё это в некоторой степени условно... Чёртово ядро (протоны, нейтроны), как бы положительно заряжено... В противовес куча электронов, естественно заряженных отрицательно. И если всё это не ворошить, то атом в целом нейтрален. Наверняка Вы хоть один раз видели условное изображение этого самого атома и снующих на своих орбитах стада электронов в виде шариков. Вот только в жизни это не так, даже совсем не так. И шарики вовсе не шарики, а некая размазня. И орбиты вовсе не орбиты как у спутников, а оболочки. Примерно как у лука репчатого слои. Этих оболочек несколько. Начиная от самой близкой к ядру имеют свою метку: K, L, M, N, O, P, Q рис5b. Распределение электронов на оболочках соответствует некоему закону на рисунке формула пурпурного цвета. Где: S — количество электронов на оболочке; А — порядковый номер оболочек начиная с К с номером №1 и далее до 7. Правда на оболочках: O, P, Q практически число электронов значительно меньше чем согласно формуле?! На рис5b ядро и все оболочки атома РАДИЯ (Ra). Внизу соответственно число электронов в оболочке. Для оболочек: K, L, M, N число электронов совпадает с расчётным количеством, а вот на O, P, Q полный раздрай! Вместо расчётных 50, 72, 98 имеем только 18, 8, 2!
МАГИЧЕСКИЕ ЧИСЛА. По поводу магического здесь может и не очень, но всё же. Что это за числа? 8 — число электронов на самой крайней, отдалённой от ядра оболочке. С таким количеством элемент ведёт себя очень независимо! Не в какие порочащие его связи не вступает, типа я не я и хата не моя?! А вы как хотите со всем остальным... А остальные это, что? А вот тут-то и начинается! Если на крайней оболочке не 8 электронов, то атом ведёт себя неадекватно. А, это как? Он может обменяться ими (электронами) с другими атомами. Либо отдать, либо отнять у другого. Что это значит для нас? Это означает, что атом становится ионизированным, становится ИОНОМ. С лишним электроном отрицательным, с недостающим положительным. А так-как мы говорим о полупроводниках, то и на них и остановимся.
ПОЛУПРОВОДНИКИ. Если взять материалы из повседневной жизни, то всё это богатство можно разделить на три большие группы. МЕТАЛЛОИДЫ, то бишь неметаллы. В смысле диэлектрики, изоляторы. МЕТАЛЛЫ, железяки, проводники. И ПОЛУПРОВОДНИКИ. Типа не рыба ни мясо?! Вот на рис1 Вы и видите эти группы. Жёлтенькие-изоляторы, серые металлы и зелёненькие полупроводники. Рядом удельные сопротивления, типа от и до... В правой половине таблицы элементы в основном элементы применяемые в полупроводниковой технологии. Слева-направо: название элементов; порядковые номера атомов (общее число электронов); сокращённое, условное обозначение элементов. Далее столбцы оболочек от К до О и число электронов в каждой. Видите какой раздрай в крайних оболочках и несоответствие количество электронов с формулой?! Нас в большей степени интересуют именно крайние и очень неадекватные оболочки. А, так-как в производстве полупроводниковых приборов фигурируют в основном ГЕРМАНИЙ и КРЕМНИЙ мы и остановимся на них!
Что их объединяет? Магическая цифра — 4! Да, число электронов на крайней оболочке. Для кремния это M, а германия — N. Сами же атомы в материале не просто шаляй-валяй, а находятся в сцепке друг с другом и представляют собой кристаллическую решётку. Где каждый атом сцеплен своими электронами с со своими четырьмя соседями рис5а! И связаны они именно теми ненормальными электронами крайних оболочек. Такие электроны обозвали валентными. Правда в разных элементах они звучат по-разному! Если на оболочке скажем 7 электронов и не хватает до полных 8 одного, то этот атом одновалентен! Если на внешней оболочке всего один электрон, то он одновалентный! Самое главное, что в первом случае атом не прочь прихватезировать один электрон у другого лоха, а во втором случае проще типа на, подавись... На всех этих прихватизациях и держится наша полупроводниковая история! А в случае с германием и кремнием то их атомы как бы не определившиеся со своей политической ориентацией?! Они не против как принять халяву, либо поделиться ей с кем-нибудь?!
Конечно всё это касается шибко чистых элементов, но в жизни не совсем так?! Обязательно присутствуют примеси. И хорошо, что если не влияют на кристаллическую прочность. А если не так? А не так, это как? Рассмотрим примеси которые не только вредят (нам, а не атому), но и помогают! Да, так помогают, что и стали чуть ли не главными фигурантами в деле о полупроводниковых приборов! Это примеси у которых (в отличие от германия и кремния) не 4 электрона, а 5 или 3! Это самое главное! С пятью электронами это мышьяк и сурьма, а с тремя — галий и индий. Алюминий как-то не очень?!
На рис2 иллюстрация внедрения этих самых примесей. В середине атомная решётка без примесей. Слева примесь сурьмы (Sb), а справа индия (In). Чтобы внедриться в кристалл сурьме нужно 4 электрона. Поэтому она легко может отдать лишний пятый (е). А вот с индием всё наоборот, ему не хватает одного и? И он с удовольствием аннексирует у кого-нибудь, скажем у соседнего атома германия (кремния)! Что же вся это фигня может дать полезного? Ну пока это только намёки... Сурьма даёт электронную проводимость, даёт электронные носители заряда, то бишь тока... А вот индий отбирая один электрон у атома германия или кремния создаёт положительный ион и как бы носитель положительного заряда, но? Электрон свободный как «псиса» мотается в решётке как ему вздумается, то ион германия не может вот так просто двигаться... Вот такой, неподвижный и очень положительный ион и назвали ДЫРКОЙ!
А, нам-то какой кайф со всего этого дырявого?! Пока, в общем-то, ровным счётом ничего. Но как только мы поместим такой вот «зараженный» образец в электрическое поле... И тут началось!.. Вот на рис3 и показан весь процесс. Правда здесь показана только цепочка из атомов германия с примесью индия. То есть с наличием дырок. Вот в верхней цепочке справа образовалась дырка. Под действием поля часть электронов отрывается от атома и движется к положительному полюсу (вправо). Но на пути «перехватчики» положительно заряженные дырки. Они жаждут как можно скорее стать нейтральными и? Правильно, они захватывают электроны. А где-то слева оказывается обиженный атом-дырка! И далее она сама захватывает электрон от другого атома слева и делает его дыркой и тд... Внизу та же строчка и как дырка движется справа-налево! И хотя дырки остаются на месте они как эстафетную палочку передаёт заряд!!! В детских книжках, как иллюстрацию процесса, приводится пример из пионерского прошлого. Стоит строй ребят. Вдруг несколько ребят выходят из строя: образовались пустые места — дырки. Вожатый подаёт команду: «сомкнуть строй»! Пацаны (+ девчонки) по очереди делают шаг вправо, заполняя пустые места. Ребята перемещаются к правому флангу, а пустые места — в сторону левого фланга. То есть, в нашем случае, дырки являются носителями тока положительных зарядов. Отсюда и понятие как электронная проводимость (примесь сурьма) и дырочная (примесь индия). В первом случае имеем дело с полупроводником n-типа (n — negative — отрицательный), а второй p-типа (p — positivus — положительный). Вот и получается, что мы имеем поток заряженных частиц, движущихся в противоположных направлениях! Как в подземном переходе в час пик?!!
А теперь фокус-покус! Возьмём кусочек германия и на один край «накапаем» сурьмы, а на другой индия. И посмотрим, что из этого, всего получится? На рис5с как раз показан результат нашего эксперимента. Начнётся странный и весьма интересный процесс!!! Левый край «зараженный» индием начинает накапливать атомы индия — отрицательно заряженные ионы. И стало быть очень обиженные дырки атомы германия. Напротив на правом краю образуются положительно заряженные ионы сурьмы и болтающиеся без дела электроны. Атомы сурьмы называют донорами, а индия акцепторами. Первые дающие (электроны), а вторые принимающие.
Чем дальше в лес, тем интереснее процесс! Положительные доноры начнут отталкивать дырки на другой половине нашего зараженного кусочка германия. В свою очередь на той стороне отрицательные очень акцепторы будут отталкивать электроны. В конце-концов наступит некий баланс и всё успокоится... А на границе двух противоборствующих образуется забор-граница! По-граждански это p-n переход, а по науке потенциальный барьер. Барьер о который мы в будущем будем спотыкаться и не раз?!
Наконец-то мы добрались до финиша! Итак на рис4 три картинки-раскраски. Левая, две половики р-типа и n-типа как бы бесхозные и только, что соединены. Что потом мы уже выяснили на рис5с. Через контакты подключим всё это к батарее как на рисунке по центру. Что произойдёт? Начнётся интенсивное бегство, электроны влево — дырки вправо! Мальчики налево, — девочки направо! Шутка! Прибор в цепи начнёт зашкаливать. И наоборот, когда мы поменяем полярность батареи, — ток уменьшится до минимума! Содружество двух полупроводников р-типа и n-типа имеет одностороннюю проводимость! Точнее сильно различающуюся! На графике рис7 это отчётливо видно. В прямом направлении ток в 150 мА возрастает уже при U = +1В, а в обратном даже при U = -80В еле-еле достигает 0,3 мА. Для нас же малограмотных достаточно понятия, — р-n переход в прямом направлении, полупроводник — проводник, а в обратном — изолятор. То есть как и двухэлектродная лампа, это ДИОД! Только полупроводниковый! Да, такой диод давно применялся ещё изобретения транзисторов, но тогда по-видимому не догадывались о природе явления?!
А, что будет с нашим новоиспечённым диодом если в него запузырить отрицательное, обратное напряжение более -80 вольт? Наступит электрический пробой! И такое напряжение называется ПРОБИВНЫМ. То есть Ваш диод может скоропостижно скончаться. Но есть утешительный приз! Есть такие диоды которые используют именно такой «пробивной» режим и называются они СТАБИЛИТРОНЫ. Их характеристика несколько отличается от характеристики «нормального» диода рис9. При обратном напряжении всего в -8 В, диод начинает «колбасить» и характеристика начинает «загибаться». И главное, не меняет (почти) своей вертикальной прямолинейности при протекании достаточно большого тока. Схема такого стабилизатора проста. Балластный резистор включенный последовательно с стабилитроном. Получается делитель подключаемый к нехорошему напряжению. Изменение последнего приводит к изменению тока через диод-стабилитрон. А на нём, согласно графику напряжение остаётся постоянным. Конечно не до бесконечности, а в пределах тока от Iст. мин до Iст. макс.!
Под занавес нам остаётся только рассмотреть реальные диоды и небольшую технологию изготовления. На рис6 по-моему очень хорошо видна структура диодов. Слева плоскостной, а справа точечный. Плоскостной используют как выпрямительный вентиль на низких частотах. Большие напряжения и токи. Точечный наоборот и в качестве детекторов. Часть старинного, точечного диода Д2Б Вы и видите на рис6а. На рис9а выпрямительный диод КД202, а рядом Д210. Несколько слов о таком старинном полупроводниковом диоде на основе СЕЛЕНА. На стальные или алюминиевые пластинки наносится слой селена. Сверху покрывают слоем из сплава кадмия, олова и висмута. В таком бутерброде образуется р-n переход со всеми вытекающими. Для работы на высоких напряжений собираются такие вот столбики из шайб рис8. Выпрямитель на основе стальных пластинок-шайб обзывается ВС, а из алюминиевых АВС. Вот такой АВС-80-260 Вы и видите на рис8а. У кого сохранился раритет 60-х, в смысле радиоприёмник, наверняка там такой стоит?! Пацаны называли их шоколадками. И если ВС-столбик обычный диод, то АВС-80-260 мост из четырёх диодов-столбиков. Ток 80 мА и напряжение до 260 В.
На рис9b,d,e разные виды стабилитронов: КС547В; Д815 и Д818 (аналогично выглядят и другие из серии Д808-Д814). Такой же вид имеют и стабилитроны серии КС (КС133-КС168). Напряжение стабилизации первого 3,3 В. Второго 6,8 В. Чтобы в домашних условиях (хотя бы грубо) проверить диоды, нужен источник постоянного тока около 5В и лампочка на такое же напряжение. Схема проверки на рис6b прямой ток и рис6с обратный. Если в любом направлении лампочка будет светиться, — значит диод пробит и уже совсем не диод. Если вообще не светится для обоих схем, наверняка внутри всё выгорело ещё в прошлом веке?! Правда в случае проверки точечных диодов, я бы поосторожничал с таким способом?! И хотя максимальное обратное напряжение для таких диодов не менее 10 В, я бы не рискнул?!!