Глава 12. Полупроводниковые диоды — немного истории…

«Аматор»: Я вот тут смотрел кое-какую литературу и нашел упоминание о диодах — СТАБИЛИЗАТОРАХ ТОКА! Может ли такое быть?

«Спец»: Вполне, вполне. Хотя… никакие известные диоды, насколько мне известно, подобными качествами не обладают!

«Незнайкин»: Ничего себе ситуация!.. Противоречие какое-то получается.

«С»: Ровным счетом никакого! Диоды действительно не могут стабилизировать ток! Но… сложное полупроводниковое устройство, в состав которого входят как диоды, так и транзисторы, а также и еще кое-какие компоненты (мы к этому вопросу еще вернемся) могут великолепно справляться с этой задачей. А-поскольку это устройство вполне может иметь только ДВА вывода, то простоты ради оно и получило наименование — ДИОД — СТАБИЛИЗАТОР тока!

«Н»: А может лучше о нем сразу рассказать?

«С»: Обязательно, но несколько позже… А сейчас я хотел бы сообщить вам об очень важных для нас диодах, в физической основе действия которых НЕ ЛЕЖИТ вообще р — n-переход! Это диод, основанный на переходе типа МЕТАЛЛ — ПОЛУПРОВОДНИК. Который также обладает выпрямительным эффектом. Эти приборы называют обыкновенно по имени, в честь исследователя, работы которого и подарили их электронике — ДИОДЫ ШОТТКИ.

«А»: Я читал о них! Они характеризуются очень малым временем переключения и очень низкой величиной накопленного заряда!

«С»: Совершенно верно! Добавлю только, что хотя в их основе тоже лежит кремний, но у них весьма мало прямое падение напряжения по сравнению с обычными кремниевыми диодами. Оно составляет около 0,3 В.

«Н»: А у обычных сколько?

«А»: Между 0,6 и 0,7 вольта…

«С»: У них масса и других достоинств. Например, очень малые шумы и ничтожные (сравнительно с любыми другими типами диодов) емкости! Что в сумме делает диоды Шоттки наиболее предпочтительными для создания ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ.

Существует и еще один класс диодов, которые дали очень много как схемотехнике, так и дизайну приборостроения…

«А»: Речь идет о СВЕТОДИОДАХ?

«С»: Именно о них! Обратите внимание, что светодиоды изготовляются не путем использования германия или кремния, о которых мы уже говорили ранее. А на основе СЛОЖНЫХ полупроводников. Например, на основе арсенида — фосфида галлия (имеющего валентную связь типа А₃В₅).

Или, скажем, карбида кремния. Или арсенид — галлий — алюминия и прочие. Эти диоды излучают световые кванты при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения этих диодов имеет довольно узкие границы. При этом яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна величине прямого тока светодиода!

«Н»: Так они могут заменить маленькую электрическую лампочку?

«С»: Новейшие светодиоды, получившие наименование «сверхярких», действительно, можно использовать в качестве подсветки, если тебя не будет шокировать их кроваво-красный свет! Но, в отличие от лампочки, нить накаливания которой нагрета до 2000 °C, излучающая свет область кристалла имеет температуру не выше 50 °C! И, что важно, не обладает тепловой инерцией!

Вот почему излучение светодиода очень легко модулировать. А, следовательно, одно из основных применений светодиода — это не столько элементарная подсветка, сколько передача информации в световом диапазоне. Токи для этого нужны совершенно пустячные! Например, новейшие японские, американские и голландские светодиоды великолепно светятся уже при токе 2–3 мА!

«А»: Для отчетливой индикации этого вполне достаточно! Но ведь на основе светодиодов изготовляются еще и цифровые индикаторы?

«С»: Да, но о них мы будем говорить позднее, когда вплотную займемся ЦОУ для приемника. Но, всем вышеперечисленным, возможности светодиодов опять-таки не ограничиваются! Что бы вы сказали, если мы попробуем применить светодиод в качестве… стабилитрона?

«Н»: Но ведь стабилитронов различных типов, как успел сообщить мне Аматор, хоть пруд пруди! Так зачем же?…

Что может дать особо нового использование для этой цели светодиодов?

«С»: А вот тут, Незнайкин, ты глубоко неправ! С точки зрения экономики это вообще одно и то же. А вот с точки зрения электроники…

«А»: Знаете, Спец, я тоже еще как-то не очень врубаюсь в ситуацию!

«С»: Это поправимо… Мы уже говорили, что стабилитроны, реально, используются для получения опорных напряжений не ниже 3,3 вольта. Более низкие напряжения стабилизации достигаются только последовательным включением обычных диодов в прямом направлении. Но их суммарное дифференциальное сопротивление при этом становится слишком большим. Обратимся к рисунку. На нем изображены ВАХ для различных случаев прямого включения диодов (см. рис. 12.1).

Так кривая 1 — это ВАХ одного кремниевого диода. Кривая 2 — соответствует случаю прямого включения ДВУХ диодов. Обратите внимание на увеличение степени наклона! А теперь сравните кривые 1 и 2 с кривой 3, характеризующую ВАХ светодиода красного свечения.

«А»: Но я вообще не наблюдаю наклона характеристики кривой 3?! В то же время величина напряжения стабилизации составляет всего 1,6 вольта!

«С»: Насчет наклона ВАХ ты совершенно прав! Его, практически, вообще нет. Дифференциальное сопротивление светодиода не превышает ДОЛЕЙ ОМА! Кстати, в зависимости от длины волны излучения, напряжение стабилизации варьируется от 1,4 вольта (инфракрасный) до 2,4 вольта (зеленый).

«А»: Но имеются еще и такие приборы, как ФОТОДИОДЫ. Рассмотрим ли мы их?

«С»: Я сам сейчас думаю над этим вопросом. С одной стороны, если затронуть тему фотодиодов, нам придется уделить ей большое внимание. С другой — их использование в радиоприемнике в настоящий момент не предполагается. А мы не имеем возможности в наших беседах рассказать обо всей современной электронике. Причем сразу! Согласись, Аматор, что вот не затрагиваем же мы здесь тему о свойствах полупроводниковых лазеров, например…

«А»: Справедливо. В общем, если паче чаяния фотодиоды нам все же понадобятся, никто нам не помешает вернуться к ним…

«С»: Ну что же… На том и порешим!

«Н»: Значит, можно считать, что общее краткое знакомство с диодами мы закончили?

«С»: Да, пожалуй. Осталось только положить здесь начало своего рода справочнику, о необходимости которого мы упоминали выше!

«А»: Нет проблем! Беру бумагу и ручку. Дорогой Спец, я весь внимание. Уже пишу!..

«С»: Как вы любезны!.. В таком случае — уже диктую!.. (см. Глава 30., табл. 30.2)

«А»: Ну вот, начало справочнику положено!

«С»: Всё это великолепно! Ну а теперь нас ждет знакомство с транзисторами… Итак, транзистор — это полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигналов.

Интересна их история. В то самое время как приёмно-усилительная лампа (ПУЛ) победно шествовала по всему свету, наиболее философски мыслящие умы усиленно искали ей замену. Они мечтали о приборчике экономичном, малогабаритном, очень надежном, не требующем для своей работы высоких напряжений. Бум, который произвел в техническом мире приемник — кристадин российского инженера Лосева (снабженный твердотельным диодом — усилителем) вскоре сошел на нет. Ни участок ВАХ кристалла, примененного Лосевым, имевший ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ; ни второе удивительное свойство того же кристалла — таинственное (как на то время) свечение при работе — не имели под собой никакого научного объяснения. А сам прибор — необходимой стабильности и постоянства действия.

«А»: А что же европейско-американская мысль? Не заинтересовалась этими эффектами?

«С»: Заинтересовалась, но не очень! Профессор физики Юлиус Лилиенфельд, работавший в США по проблеме создания твердотельного кристаллического усилителя, ещё с 1925 года получил 3 патента на совершенно иной принцип!

Его патенты касались прибора ныне известного во всем мире как ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР. Патенты были датированы январем 1930 года, сентябрем 1932 года и мартом 1933 года. Кроме того, британский ученый Хейл в декабре 1935 года получил на эту же тему британский патент номер 439457.

Но в качестве материала Лилиенфельд выбрал сульфид меди, а Хейл надеялся на пятиокись ванадия, теллур и йод. Первый действующий кристаллический усилитель на нагретом кристалле бромида калия создал немецкий физик Поль в 1938 году.

«А»: Выходит, никто из них не додумался испробовать германий или кремний?

«С»: Будущие создатели транзистора — Браттейн и Шокли так же долгое время экспериментировали с оксидом меди. Но в начале 1940 года Браттейна пригласили понаблюдать за экспериментами химика Рассела Оля, проводившимися в фирме BELL. Оль освещал середину кремниевой пластины, на концах которой были сделаны металлические контакты, присоединенные к вольтметру. Браттейн был поражен увиденным! Вскоре ему была предоставлена возможность работать с образцом кремния, в котором металлурги создали р-n-переход.

Биполярный транзистор, фактически, был готов уже родиться, но… началась Вторая Мировая война. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, лихорадочно работавший над созданием радаров.

«А»: Получается, что американцы работали не над полевым, а над биполярным транзистором?

«С»: Да, так угодно было Судьбе! Свою работу они смогли продолжить только через шесть лет, то есть после окончания войны. Любопытно, что после войны исследования были продолжены уже не над кремнием, а над германием.

В конце 1945 года к Браттейну в группу был направлен физик Джон Бардин, специалист по квантовой механике. Ну, много работы и не меньшее количество везения потребовалось этим ученым!

Удачной была, прежде всего, мысль ограничить исследования только простыми элементами — германием и кремнием. Новая, разработанная на основе анализа экспериментов теория, объяснив попутно эффект Шоттки, к концу 1947 года позволила реализовать многолетнюю мечту физиков — создать германиевый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению порядка 100! Частотный диапазон достигал при этом 30 кГц!

«Н»: Но получается, что есть два абсолютно различных вида транзисторов?

«С»: Да, это безусловно так! Хотя их, вообще-то не два, а несколько больше.

«А»: А действительно, может перечислим основные типы?

«С»: Без проблем! Можем расписать этот факт следующим образом (см. рис. 12.2).

«Н»: И все это разнообразие действительно применяется?

«С»: Безусловно, но это еще далеко не все! Большой популярностью сейчас пользуются, например, МДП- или МОП-транзисторы с двумя затворами. Или вот совершенно новый класс — ТРАНЗИСТОРЫ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ!

«А»: Но несколько видов транзисторов нам действительно необходимы!?

Так с каких начнем? С биполярных или полевых?

«С»: Не будем понапрасну спорить с историей! А потому — начнем с биполярных!