Diody

Aby otrzymać diodę półprzewodnikową, trzeba zespolić dwa kryształy. Jeden o przewodności n, drugi — p. Warstewka pomiędzy tymi kryształami nosi nazwę złącza lub przejścia p-n. Złącze p-n ma szczególne cechy i chociaż jego grubość wynosi zaledwie dziesiąte części mikrometra (1 Am = 1/1000 mm), warstewce tej przypadła najważniejsza rola w technice półprzewodników. Otóż złącze p-n w diodzie nie podłączonej do źródła prądu stanowi dla ładunków — elektronów i dziur — swoistą barierę, oddzielając je od siebie. Dopiero podłączenie diody do źródła prądu wyjaśnia tam sytuację. Plus źródła prądu przyłożony do warstwy p, a minus do warstwy n pomaga ładunkom w pokonaniu tej bariery. Pwa strumienie ładunków idą wtedy na spotkanie i przez diodę płynie prąd elektryczny. Przy odwrotnym podłączeniu źródła prądu jego bieguny ciągną elektrony i dziury w różne strony, zaś bariera staje się nieprzekraczalna — prąd przez diodę nie płynie. W naszej praktyce spotykamy diody ostrzowe i warstwowe, germanowe i krzemowe. Diody ostrzowe stosuje się w detektorach wszelkiego rodzaju, nawet w urządzeniach pracujących z bardzo wielkimi częstotliwościami. Ale diody te mają inną wadę: przez tak delikatny styk nie można przepuścić dużego prądu. Do prostowania dużego prądu, a także detekcji dużych sygnałów przeznaczone są diody warstwowe. Mamy też do czynienia z diodami specjalnymi, o których pomówimy innym razem. Ale najważniejszym przyrządem półprzewodnikowym jest tranzystor. Wynaleziony zastał zaledwie dwadzieścia sześć lat temu. Obecnie jest produkowany na świecie w zawrotnej liczbie setek miliardów sztuk rocznie, chociaż jest już wypierany przez układy scalone. Tranzystor ma dwa złącza p-n. Warstwy półprzewodnikowe z przewodnością n i p mogą być różnie kojarzone i dlatego rozróżnia się dwa podstawowe typy tranzystorów: p-n-p i n-p-n. Tranzystor p-n-p można rozpatrywać jak dwie diody warstwowe ze wspólną warstwą n. Można też powiedzieć, że tranzystor ten składa się z dwóch warstw półprzewodnika o przewodności p przedzielonych bardzo cienką warstewką półprzewodnika n, zaś tranzystor n-p-n odwrotnie. Każda z tych trzech warstw ma swoje odprowadzenie — elektrodę. Jedna z elektrod z przylegającą do niej warstwą p otrzymała nazwę emiter (od emittere — wypuszczać), czyli wytwarzający (wypuszczający) w tranzystorze ładunki — nośniki prądu. Druga elektroda wraz z jej warstwą p nosi nazwę kolektor (od collector —- zbierający), czyli zbierający w tranzystorze ładunki — nośniki prądu. Natomiast trzecia elektroda połączona z kryształem półprzewodnika n nazywa się bazą (od basis — podstawa), czyli jest tą częścią tranzystora p-n-p, na której opiera się (bazuje) emiter i kolektor. Gdy tranzystor jest w spoczynku (nie jest nadmiernie ogrzany lub oświetlony) panuje w nim równowaga wewnętrzna. Wystarczy jednak jeśli do jego złączy (elektrod) doprowadzi się napięcie, czyli spolaryzuje, aby tranzystor zaczął pracować. Sygnał elektryczny, który chcemy wzmocnić, doprowadzamy do obwodu wejściowego tranzystora. Jeśli w obwodzie wyjściowym umieścimy jakieś obciążenie — opór, to można z niego pobrać sygnał wzmocniony przez tranzystor. Skąd się bierze to wzmocnienie? Złącze emiter-baza zachowuje się jak dioda w stanie przewodzenia: zewnętrzne źródło prądu (bateria) pomaga nośnikom prądu — elektronom i dziurom — pokonać barierę. Złącze baza-ko- lektor jest podobne do diody w stanie nieprzewodzenia: zewnętrzne źródło prądu (bateria) przeszkadza w przejściu nośnikom przez barierę. W wyniku: opór złącza emiter-baza będzie zupełnie mały, a złącza baza-kolektor bardzo wielki. Wartość prądu przepływającego przez obie bariery pozostaje prawie bez zmiany. Ściślej mówiąc, zmniejsza się nieco, a to dlatego, że niektóre elektrony łączą się z dziurami i w rezultacie następuje neutralizacja tych ładunków. Zwykle neutralizacji ulega nie więcej niż 3 procent ładunków. To znaczy, że prąd przechodzący przez złącze bazą-kolektor stanowi około 97 procent prądu przechodzącego przez złącze emi- ter-baza. Jednocześnie opór złącza baza-kolektor „(dioda zatkana) jest dziesiątki razy większy od oporu złącza emiter-baza (dioda przewodząca). Ponieważ mamy w obu obwodach prąd niemal jednakowy, zaś opór na wyjściu tranzystora (baza-kolektor) dziesiątki razy większy od oporu na wejściu tranzystora (emiter-baza), to zgodnie z prawem Ohma napięcie (i moc) sygnału na wyjściu będzie również o dziesiątki razy przewyższać napięcie (i moc) sygnału na wejściu. W ten sposób tranzystor wzmacnia sygnał. Pozostała jeszcze sprawa sterowania. Tranzystor umożliwia w sposób najprostszy sterowanie prądem w jego obwodzie wyjściowym. Zmienia się po prostu ilość nośników ładunków elektrycznych trafiających z bazy do obwodu kolektora i mogących brać udział w tworzeniu prądu płynącego poprzez obciążenie w tym obwodzie wyjściowym tranzystora. Działanie tranzystora n-p-n jest takie same jak p-n-p z tym, że wszystko jest teraz odwrócone (bieguny baterii i kierunek złącz) zaś funkcje spełniane w tranzystorze p-n-p przez dziury wykonują w n-p-n elektrony. Ponieważ ruchliwość dziur jest ponad dwa razy mniejsza od ruchliwości elektronów — większa jest szybkość reakcji tranzystora n-p-n, a więc może on pracować z większą częstotliwością.