"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Полупроводниковые приборы управляют электрическим током благодаря свойствам материалов, проводимость которых можно изменять. Основа многих таких устройств — граница областей с электронной и дырочной проводимостью, или p–n-переход. Диод пропускает ток преимущественно в одном направлении, светодиод излучает при прохождении тока, а фотодиод реагирует на свет. Транзистор позволяет небольшим сигналом управлять более сильным током, поэтому его используют для усиления и переключения сигналов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводниковый прибор — устройство, действие которого основано на свойствах полупроводника и возможности управлять током в нём. Такие приборы используют, чтобы пропускать, изменять или преобразовывать электрические сигналы. К ним относятся диоды и транзисторы.
Электронно-дырочный переход, или p–n-переход, — граница областей полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. Это не просто место соприкосновения материалов: около границы формируются обеднённый слой и электрическое поле. Благодаря этому переход влияет на прохождение тока.
Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом. Его главное свойство — значительно лучшая проводимость в одном направлении, чем в противоположном. Поэтому диод можно использовать, например, чтобы пропускать ток только в нужную часть электрической цепи.
Транзистор — полупроводниковый прибор, который позволяет управлять током в одной цепи с помощью сигнала в другой. Такой принцип нужен, когда слабый сигнал требуется усилить или использовать для переключения нагрузки. Управляющий сигнал задаёт режим работы транзистора, но сам по себе не служит источником энергии для нагрузки.
Чистый полупроводник проводит ток ограниченно, но его проводимость можно менять добавлением примесей. В области n-типа примеси дают дополнительные электроны, поэтому именно электроны становятся основными носителями тока. В области p-типа образуются дырки — незаполненные места в связях атомов, которые ведут себя как положительные носители. Так в одном материале получают области, где ток переносят преимущественно разные частицы.
Когда области p- и n-типа соприкасаются, электроны начинают переходить из n-области в p-область, а дырки — в противоположную сторону. Рядом с границей часть электронов и дырок соединяется, поэтому свободных носителей там становится меньше. Возникает обеднённый слой и внутреннее электрическое поле, направленное так, чтобы препятствовать дальнейшему переходу основных носителей. Этот барьер и объясняет, почему поведение перехода зависит от полярности внешнего напряжения.
При прямом включении положительный полюс источника соединяют с областью p-типа, а отрицательный — с областью n-типа. Внешнее поле направлено против внутреннего и ослабляет его, поэтому носителям легче пересекать переход. Через диод проходит значительный ток, величина которого зависит также от напряжения и сопротивления цепи. Если полярность поменять, получится обратное включение.
При обратном включении положительный полюс источника соединяют с областью n-типа, а отрицательный — с областью p-типа. Внешнее поле усиливает внутреннее, расширяя область, где мало свободных носителей, поэтому основным носителям трудно пройти через переход. Остаётся небольшой обратный ток, связанный с неосновными носителями заряда. Если обратное напряжение превысит допустимое для прибора, может наступить пробой и диод может повредиться.
В транзисторе небольшой сигнал подают в управляющую цепь, а ток нагрузки проходит по другой цепи. Изменение управляющего сигнала меняет условия прохождения тока через транзистор, поэтому слабый сигнал может вызвать заметное изменение более сильного тока нагрузки. Так транзистор используют как усилитель или электронный переключатель. Энергию для тока нагрузки даёт источник питания, а транзистор управляет её передачей.
| Прибор | Устройство или принцип действия | Основное свойство | Применение |
|---|---|---|---|
| Полупроводниковый диод | Один p–n-переход | Проводит ток преимущественно в прямом направлении | Выпрямление тока, защита цепей |
| Светодиод | Диод, в котором при прохождении прямого тока выделяется свет | Преобразует часть электрической энергии в свет | Индикаторы, освещение, экраны |
| Фотодиод | Диод, на который воздействует свет | Свет изменяет ток или электрические свойства перехода | Датчики освещённости, приёмники оптических сигналов |
| Транзистор | Полупроводниковый прибор с управляющей и рабочей цепями | Управляет током нагрузки с помощью сигнала | Усилители, переключатели, электронные устройства |
Сначала найдите в таблице, какой сигнал или воздействие использует прибор: напряжение, управляющий ток или свет. Затем сопоставьте его с основным свойством и выберите применение. Так легче отличить диод, который направляет ток, от транзистора, который управляет током в другой цепи.
Источник подключён к диоду; требуется определить, прямое это включение или обратное. Для ответа недостаточно посмотреть, куда направлен значок диода на схеме: нужно выяснить полярность напряжения на его p- и n-областях. Условие сообщает, к каким полюсам источника подключены выводы этих областей.
Ответ: диод включён прямо, если плюс источника соединён с p-областью, а минус — с n-областью; при противоположном подключении он включён обратно.
В цепи последовательно соединены источник, диод и резистор. Нужно указать направление тока и качественно сравнить его для прямого и обратного подключения. Числовых данных нет, поэтому вычислять ток по закону Ома нельзя; достаточно учесть свойства диода и ограничивающее действие резистора.
Ответ: направление обычного тока задаётся полярностью источника; при прямом включении его величина значительно больше, чем при обратном. Резистор не меняет направление, но ограничивает ток.
Транзистор включён между источником питания и нагрузкой, а управляющий сигнал подан в отдельную цепь. По условию сигнал изменяется, и требуется предсказать, что произойдёт с током нагрузки. Главное — не считать обе цепи одной и той же: управляющая задаёт режим транзистора, а рабочая проводит ток через нагрузку.
Ответ: изменение тока нагрузки следует за управляющим сигналом: открывание транзистора увеличивает ток, закрывание — уменьшает. Транзистор выступает управляющим элементом, а не источником энергии.
Ошибка — считать, что при обратном включении диод совсем не проводит ток. Её допускают, потому что диод описывают как односторонний проводник, хотя это только приближённое описание. Проверка: вспомните, что небольшой обратный ток существует, а при достаточно большом напряжении возможен пробой.
Ошибка — определять прямое включение только по направлению значка диода на схеме. Так делают, когда принимают условное изображение за указание полярности источника. Проверка: найдите p- и n-области и сопоставьте их с полюсами: плюс к p, минус к n — прямое включение.
Ошибка — считать p–n-переход просто местом соприкосновения областей. Такое представление пропускает причину односторонней проводимости: перераспределение носителей создаёт обеднённый слой и внутреннее поле. Проверка: объясните, какой барьер возникает у границы и как внешнее напряжение меняет его действие.
Ошибка — считать транзистор источником энергии или смешивать управляющую цепь с цепью нагрузки. Путаница возникает потому, что малый сигнал способен вызвать большое изменение тока. Проверка: проследите, откуда поступает энергия к нагрузке, и отдельно укажите, какой сигнал меняет режим транзистора.
Для изучения приборов нужны понятия электрического тока, напряжения и сопротивления, закон Ома и умение читать условные обозначения элементов цепи. Эти знания позволяют определить направление тока и понять, почему резистор ограничивает его в цепи с диодом. Без полярности источника нельзя установить, прямо или обратно подключён переход.
Понятия электрического поля и движения зарядов помогают объяснить работу p–n-перехода. Направление поля важно, потому что при прямом и обратном включении внешнее напряжение по-разному действует на внутренний барьер. Представление о носителях тока связывает микроскопическое движение электронов и дырок с током в цепи.
Диоды и транзисторы встречаются в темах о выпрямлении переменного тока, усилителях и электронных схемах. В цифровых устройствах транзисторы часто работают как переключатели, а светодиоды служат индикаторами. Фотодиоды применяют там, где электрическую цепь нужно связать с обнаружением света.
Почему полупроводниковый диод пропускает ток преимущественно в одном направлении?
В p–n-переходе есть обеднённый слой и внутреннее электрическое поле. При прямом включении внешнее напряжение ослабляет это поле, и носители заряда проходят через переход. При обратном включении поле усиливается, поэтому ток остаётся малым.
Чем отличаются полупроводники n-типа и p-типа?
В полупроводнике n-типа основные носители тока — электроны, а в полупроводнике p-типа — дырки. Дырка — это незаполненное место в связях атомов, которое ведёт себя как положительный носитель заряда.
Что происходит с p–n-переходом при прямом и обратном включении?
При прямом включении внешнее поле ослабляет внутреннее поле перехода, и ток заметно возрастает. При обратном включении поле усиливается, поэтому ток мал; если напряжение достаточно велико, может произойти пробой.
Почему светодиод светится и можно ли включать его любой стороной?
При прямом токе в светодиоде электроны и дырки встречаются, и часть энергии выделяется в виде света. Включать его любой стороной нельзя: при обратном подключении он обычно не светится, а слишком большое обратное напряжение может повредить прибор.
Как транзистор может управлять большим током с помощью малого сигнала?
Сигнал в управляющей цепи изменяет условия прохождения тока в цепи нагрузки. Поэтому небольшое изменение сигнала может вызвать более заметное изменение тока нагрузки. Энергию при этом предоставляет источник питания, а транзистор регулирует ток.
§ 15. Полупроводниковые приборы
