Полупроводниковые приборы

Определение

Полупроводниковые приборы – это электронные устройства, работа которых основана на свойствах полупроводниковых материалов изменять свою электропроводность под воздействием внешних факторов или при изменении концентрации примесей, что позволяет управлять электрическим током.

Как устроены полупроводники

Основу полупроводниковых приборов составляют полупроводники – вещества, которые по своей способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами). Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры, освещения и, главное, от наличия примесей. Добавление небольших количеств других элементов (например, фосфора или бора в кремний) создает области с избытком свободных электронов (n-тип) или с недостатком электронов (дырки, p-тип). Эти области являются основой для создания p-n переходов, которые играют ключевую роль в работе большинства полупроводниковых приборов.

Принцип работы p-n перехода

p-n переход образуется на границе двух полупроводниковых областей – p-типа (с избытком дырок) и n-типа (с избытком электронов). На этой границе возникает обедненный слой, который препятствует прохождению тока в одном направлении и легко пропускает его в другом. Это свойство называется односторонней проводимостью. Если приложить внешнее напряжение в прямом направлении (плюс к p-области, минус к n-области), обедненный слой сужается, сопротивление падает, и ток течет. При обратном напряжении обедненный слой расширяется, сопротивление сильно возрастает, и ток практически не течет. Этот принцип лежит в основе работы диодов.

Виды полупроводниковых приборов

Существует множество видов полупроводниковых приборов, каждый из которых выполняет свою функцию. Диоды пропускают ток только в одном направлении, преобразуя переменный ток в постоянный. Транзисторы – это более сложные приборы, которые могут усиливать электрические сигналы или работать как электронные ключи, управляя большими токами с помощью малых. Тиристоры пропускают ток только после подачи управляющего сигнала и затем остаются в проводящем состоянии. Фотодиоды и светодиоды преобразуют свет в электрический сигнал и наоборот. Все они используют уникальные свойства полупроводников для своих задач.

Материалы для полупроводников

Основными материалами для изготовления полупроводниковых приборов являются кремний (Si) и германий (Ge). Кремний – наиболее распространенный и дешевый материал, используется для производства большинства современных микросхем и транзисторов благодаря своей стабильности и возможности создавать прочные p-n переходы. Германий используется реже, в основном там, где требуется работа при низких напряжениях или в специальных условиях. Также применяются соединения, например арсенид галлия (GaAs), который обеспечивает более высокую скорость работы и применяется в высокочастотной электронике и оптоэлектронике.

Разбор задач

Задача 1

Определите, какой полупроводниковый прибор используется для выпрямления переменного тока в блоке питания телевизора, и объясните принцип его работы в данной цепи.

1. Определить функцию: выпрямление переменного тока в постоянный. 2. Вспомнить прибор с односторонней проводимостью. Таким прибором является полупроводниковый диод, который пропускает ток только в одном направлении. 3. Объяснить принцип: Диод включен в цепь так, что когда напряжение на его аноде положительно относительно катода (прямое смещение), диод пропускает ток. Когда напряжение меняет полярность (обратное смещение), диод блокирует ток. Таким образом, на выходе после диода остается только одна полярность тока (пульсирующий постоянный ток). Обычно для полного выпрямления используются четыре диода, соединённых в мостовую схему.

Ответ: Для выпрямления переменного тока используется полупроводниковый диод (или диодный мост). Он пропускает ток только половину периода переменного напряжения, когда на нем прямое смещение, и блокирует его во время обратного смещения, тем самым преобразуя переменный ток в пульсирующий постоянный.

Где это встречается

• Смартфоны и компьютеры — Тысячи и миллионы транзисторов, соединенных в микросхемы, обрабатывают информацию, управляют всеми функциями устройства, выступают как усилители и переключатели.
• Источники света (LED-лампы) — Светодиоды (LED) – это особый тип полупроводниковых приборов, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока, что позволяет создавать энергоэффективные источники освещения и экраны.
• Солнечные батареи — Фотоэлектрические элементы (фотодиоды, солнечные элементы) преобразуют энергию солнечного света напрямую в электрический ток благодаря фотоэффекту в полупроводнике.
• Бытовая техника (холодильники, стиральные машины) — Полупроводниковые приборы (например, тиристоры, симисторы, транзисторы) используются в схемах управления двигателями, нагревательными элементами, индикации и таймерах, обеспечивая автоматизацию и точность работы.
• Медицинское оборудование — Врачи используют их в диагностических аппаратах (УЗИ, ЭКГ), для мониторинга состояния пациентов, в слуховых аппаратах и многих других устройствах, где необходима обработка слабых сигналов и высокая надежность.

Типичные ошибки

Не путать

• Проводники — Проводники хорошо проводят ток при любых условиях (например, металлы), их проводимость слабо меняется. Полупроводники проводят ток плохо или хорошо в зависимости от внешних условий и примесей, их проводимость сильно регулируется.
• Диэлектрики (изоляторы) — Диэлектрики практически не проводят ток (например, стекло, резина). Полупроводники могут проводить ток, хотя и хуже проводников, и их проводимость можно значительно увеличить.
• Электронные лампы — Электронные лампы (старые радиолампы) также выполняют функции усиления и переключения, но они работают за счет движения электронов в вакууме, требуют высокого напряжения, сильно греются и гораздо крупнее. Полупроводниковые приборы работают за счет движения носителей заряда в твердом теле, компактны, энергоэффективны и надежны.

Откуда взялось понятие

Основные принципы работы полупроводниковых приборов были заложены в начале 20 века, но настоящий прорыв произошел в середине 20 века. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели первый транзистор в Bell Labs, за что получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году. Это событие положило начало современной электронике.

Как запомнить

Полупроводниковые приборы – это 'умные' детали электроники, которые умеют управлять током.