"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Полупроводниковые приборы управляют движением электрических зарядов и поэтому используются почти во всей современной электронике. Диод пропускает ток преимущественно в одном направлении и выпрямляет переменный ток. Транзистор позволяет слабым сигналом управлять более сильным током, поэтому служит усилителем и переключателем. Фотодиод реагирует на свет и используется в датчиках, автоматике и системах связи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом, границей между областями полупроводника с разными типами проводимости. Он проводит ток значительно лучше в одном направлении, чем в другом. Поэтому диод используют как электронный «клапан» и как основу выпрямителей.
Выпрямление тока — преобразование переменного тока в пульсирующий ток одного направления с помощью диодов. При этом направление тока становится неизменным, но его сила может периодически возрастать и уменьшаться. Выпрямление необходимо, например, для получения питания электронных устройств.
Транзистор — полупроводниковый прибор, в котором малый ток или напряжение на управляющем электроде позволяет управлять значительно большим током. Благодаря этому транзистор может усиливать электрические сигналы. В цифровых схемах он также работает как быстро переключающийся элемент.
Фотодиод — полупроводниковый прибор, в котором свет вызывает появление электрического тока или изменяет его силу. Световая энергия влияет на число подвижных носителей заряда внутри прибора. Поэтому фотодиод способен превращать освещённость в электрический сигнал.
В p–n-переходе на границе областей возникает область, обеднённая подвижными носителями заряда, и внутреннее электрическое поле. При прямом включении внешнее поле направлено так, что потенциальный барьер перехода уменьшается. Носителям заряда легче пересечь границу, поэтому через диод проходит заметный ток. При обратном включении барьер и обеднённая область увеличиваются, движение основных носителей затрудняется.
Обратное включение не означает полного отсутствия тока: небольшой ток создают неосновные носители заряда. В обычном рабочем режиме он намного меньше прямого тока, поэтому диод считают почти запертым. Такое резкое различие проводимости и создаёт одностороннее действие прибора. Если обратное напряжение станет слишком большим, возможен пробой перехода.
Переменное напряжение периодически меняет полярность. В тот полупериод, когда диод включён прямо, он пропускает ток через нагрузку, а при смене полярности оказывается включённым обратно и почти прекращает проводимость. В результате ток через нагрузку сохраняет одно направление, хотя его сила меняется от почти нуля до максимума. Так диод выполняет выпрямление.
Для более полного использования обоих полупериодов применяют несколько диодов, соединённых в выпрямительную схему. В мостовом выпрямителе ток через нагрузку в обоих полупериодах течёт одинаково направленно, но проходит по разным парам диодов. Поскольку напряжение источника всё время изменяется по величине, выпрямленный ток тоже не становится ровным. Для сглаживания пульсаций добавляют конденсатор или другие элементы фильтра.
Транзистор имеет управляющую область и две другие области, между которыми проходит основной ток. Небольшое изменение сигнала на управляющем электроде изменяет концентрацию носителей и сопротивление проводящего участка. Поэтому ток в цепи нагрузки может изменяться сильнее, чем управляющий сигнал. В усилителе это даёт увеличение сигнала, а в переключателе — переход между состояниями «включено» и «выключено».
| Прибор | Особенность работы | Применение |
|---|---|---|
| Полупроводниковый диод | Проводит ток преимущественно при прямом включении | Защита цепей, выпрямление, стабилизация |
| Выпрямитель на диодах | Преобразует переменный ток в пульсирующий ток одного направления | Блоки питания и зарядные устройства |
| Транзистор | Управляющим сигналом изменяет больший ток в цепи | Усилители, генераторы, электронные ключи |
| Фотодиод | Преобразует действие света в электрический сигнал | Датчики, автоматика, оптическая связь |
В таблице сначала стоит физическое свойство прибора, а затем его практическое применение. Чтобы выбрать подходящий прибор, нужно сопоставить требуемое действие с особенностью работы: выпрямление выполняет диод, а регистрацию света — фотодиод.
Даны p- и n-области диода и два варианта подключения к источнику тока. В первом варианте p-область соединена с положительным полюсом, n-область — с отрицательным. Во втором варианте полярность соединений противоположна; требуется определить проводящий вариант.
Ответ: ток лучше проходит в первом варианте. Во втором диод включён обратно, поэтому через него идёт лишь небольшой обратный ток.
Диод включён в цепь переменного источника, полярность которого периодически меняется. Нужно изобразить, как меняется направление тока в цепи при смене полярности. Считаем, что диод исправен и работает в обычном режиме.
Ответ: ток проходит только в одном из двух полупериодов. В другом полупериоде направление источника изменилось, но направление тока через нагрузку не возникает, потому что диод включён обратно.
Слабый сигнал подают на управляющий электрод транзистора, включённого последовательно с нагрузкой и источником питания. Нужно объяснить, почему изменение тока нагрузки может быть значительно больше изменения управляющего сигнала. Рассмотрите не создание энергии, а управление её потоком.
Ответ: транзистор усиливает сигнал, если небольшое управляющее изменение вызывает пропорционально более заметное изменение тока или напряжения нагрузки. Энергия усиленного сигнала берётся от источника питания, а транзистор лишь регулирует её подачу.
Ошибка: считать, что при обратном включении диод совсем не пропускает ток. Так думают из-за упрощённой схемы «проводит — не проводит», но в реальном приборе существует малый обратный ток. Проверка проста: сравните его с прямым током — он обычно намного меньше, хотя не равен строго нулю.
Ошибка: полагать, что выпрямитель сразу создаёт постоянный ток. Такое представление возникает, когда не учитывают изменение величины напряжения источника. Проверьте форму тока во времени: после диодов направление неизменно, а сила обычно пульсирует.
Ошибка: путать усиление сигнала с созданием энергии. Транзистор не производит энергию, а управляет энергией источника питания с помощью слабого сигнала. Для проверки найдите источник питания в цепи нагрузки.
Ошибка: считать, что фотодиод работает только при подключении внешнего источника. Свет сам создаёт дополнительные носители заряда, поэтому в подходящей цепи возможно возникновение фототока. Проверьте, изменяется ли ток при освещении и затемнении прибора.
Для понимания работы диода нужны знания о строении полупроводников, электронах, дырках и образовании p–n-перехода. Именно различие подвижности носителей объясняет свойства границы двух областей.
Выпрямление связано с электрическим током и переменным током. На практике выпрямители входят в блоки питания, где после диодов ток часто дополнительно сглаживают.
Транзисторы и фоточувствительные элементы изучаются как основа современной электроники. Они используются в средствах связи, датчиках, автоматике, вычислительной технике и системах управления.
Почему диод пропускает ток преимущественно в одном направлении?
В диоде есть p–n-переход, свойства которого зависят от полярности подключённого источника. При прямом включении носители заряда проходят через переход, а при обратном образуется область, почти не проводящая ток.
Чем прямое включение диода отличается от обратного?
При прямом включении p-область соединяют с положительным полюсом, а n-область — с отрицательным. При обратном включении полярность меняют местами, поэтому ток становится очень малым.
Почему ток после выпрямителя не всегда является постоянным?
Диоды удаляют ток одного направления в каждом периоде переменного напряжения, но его величина продолжает изменяться со временем. Поэтому после обычного выпрямителя получают пульсирующий ток, который дополнительно сглаживают.
Как транзистор усиливает сигнал?
Слабое изменение напряжения или тока на управляющем электроде меняет ток в другой части транзистора. Энергия усиленного сигнала поступает от источника питания, а управляющий сигнал задаёт его изменения.
Как освещение влияет на работу фотодиода?
Свет создаёт в полупроводнике дополнительные носители заряда, поэтому в цепи может возникнуть ток или измениться его сила. Чем сильнее освещение в рабочем диапазоне, тем заметнее обычно электрический отклик.
§ 10. Применение полупроводников
