§ 14. Полупроводниковые приборы

Определения и обозначения

Полупроводник — вещество, которое проводит электрический ток лучше изолятора, но обычно хуже металла. Его проводимость не постоянна: она меняется при нагревании, освещении и добавлении примесей. Поэтому полупроводник можно использовать не просто как проводник, а как материал, свойства которого можно настраивать.

Электронно-дырочная проводимость — перенос электрического заряда свободными электронами и дырками. Дырка — это место, где в связи между атомами не хватает электрона; она ведёт себя как положительный носитель заряда. Такое представление помогает объяснить ток даже тогда, когда электроны перемещаются в одну сторону, а дырки — в другую.

p-n-переход — область на границе двух частей полупроводника: с электронной и дырочной проводимостью. В этой области носители заряда взаимодействуют, поэтому граница приобретает особые электрические свойства. Именно она позволяет прибору по-разному действовать при разных направлениях напряжения.

Полупроводниковый диод — прибор, в котором есть один p-n-переход и два вывода. Его основное свойство — преимущественно пропускать ток в одном направлении и почти не пропускать в противоположном. Это свойство используют, когда нужно направить ток или изменить его в электрической цепи.

Как это устроено

В чистом полупроводнике электроны связаны с атомами и не все могут свободно переносить заряд. При нагревании часть электронов получает энергию и освобождается, оставляя дырки; освещение тоже может передать электронам энергию для такого перехода. Чем больше свободных носителей появляется, тем больше зарядов может двигаться под действием электрического поля, поэтому проводимость возрастает. Из-за этого свойства датчики на полупроводниках способны реагировать на тепло и свет.

Чтобы получить области с нужными свойствами, в полупроводник вводят небольшое количество примесей — атомов другого вещества. Некоторые из них дают дополнительные свободные электроны, и такую область называют областью с электронной проводимостью, или n-типа. Другие примеси создают недостаток электронов в связях, то есть дырки; область называют областью с дырочной проводимостью, или p-типа. Примеси нужны, чтобы управлять числом основных носителей заряда и создавать элементы с разными электрическими свойствами.

Если соединить области p- и n-типа, часть электронов из n-области переходит к дыркам в p-области и соединяется с ними. У границы носителей становится меньше, а возникшее электрическое поле мешает дальнейшему переходу зарядов. Так появляется p-n-переход, который не одинаково пропускает ток в обе стороны. Эта граница и лежит в основе действия многих полупроводниковых приборов.

Если подключить источник так, чтобы его положительный полюс был соединён с областью p, а отрицательный — с областью n, диод включён прямо. Напряжение помогает носителям двигаться к переходу, и ток в цепи становится заметным. Если поменять полюса местами, поле источника усиливает препятствие для носителей у перехода, поэтому диод почти не проводит. Полностью нулевым обратный ток считать не следует, но в обычной задаче им пренебрегают.

Однонаправленное действие диода позволяет выпрямлять ток: в цепи переменного тока он пропускает ток только в подходящие полупериоды, а после выпрямителя ток течёт преимущественно в одну сторону. Светодиод при прямом токе превращает часть электрической энергии в свет, поэтому служит индикатором или источником освещения. Транзистор устроен иначе: его управляющий электрод задаёт условия для тока в основной цепи. Так небольшой сигнал может управлять заметно большим током, что используют для усиления и переключения сигналов.

Полупроводниковые приборы и их действие

Сначала найдите в таблице устройство, затем проследите, какое действие оно выполняет и чем это полезно. Диод и светодиод связаны с односторонним прохождением тока, но светодиод дополнительно излучает свет. Транзистор нужен не для выпрямления, а для управления током и сигналами.

Разбор задач

Задача 1. На схеме диод включён последовательно с источником и лампой. Нужно определить, загорится ли лампа при указанном направлении включения. Прямым считают включение, при котором положительный полюс соединён с областью p, а отрицательный — с областью n. Ход решения:

1. Определяем, к какому выводу диода подключён положительный полюс источника, а к какому — отрицательный.
2. Сравниваем полярность с условием прямого включения: плюс должен быть со стороны p, минус — со стороны n.
3. Если включение прямое, диод пропускает ток через последовательную цепь, и лампа загорается; если обратное, ток слишком мал для её свечения.

Ответ: лампа загорится при прямом включении диода; при обратном включении в обычной школьной задаче считают, что она не горит. Без обозначений выводов или направления на схеме нельзя выбрать один из этих вариантов. Поэтому сначала нужно установить полярность, а не судить только по расположению диода на рисунке.

Задача 2. В цепи с диодом поменяли местами полюса источника. Требуется объяснить, как изменится ток. При перестановке полюсов направление электрического поля в цепи меняется, а значит, меняется и направление напряжения на p-n-переходе. Ход решения:

1. Устанавливаем, каким было включение до перестановки: прямым или обратным.
2. После смены полюсов определяем новое включение: прямое становится обратным, а обратное — прямым.
3. Сопоставляем включение с действием диода: в прямом направлении ток заметен, в обратном он очень мал.

Ответ: если диод был включён прямо, после перестановки полюсов ток резко уменьшится; если он был включён обратно, ток увеличится. Это не означает, что сам диод изменился: изменилась полярность напряжения на его переходе. Такой способ включения и объясняет, почему диод нельзя считать обычным проводником.

Задача 3. Транзистор управляет лампой, и на управляющий электрод подан небольшой ток. Нужно объяснить, почему в основной цепи может возникнуть значительно больший ток. Транзистор связывает действие управляющего сигнала с движением зарядов в основной цепи. Ход решения:

1. Находим управляющую цепь и основную цепь, через которую подключена лампа.
2. Учитываем, что небольшой сигнал на управляющем электроде меняет условия прохождения тока через транзистор.
3. Понимаем, что ток лампы поступает от источника питания основной цепи, а транзистор регулирует его прохождение.

Ответ: малый управляющий ток может управлять значительно большим током в основной цепи, поэтому лампа способна загореться. Транзистор не создаёт энергию: её поставляет источник питания. При решении важно различать управляющий сигнал и ток, который питает нагрузку.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что диод одинаково проводит ток в обоих направлениях. Так думают, если представляют его обычным участком провода и не учитывают p-n-переход. Проверьте полярность: при прямом включении ток заметный, при обратном — очень малый. В задачах с лампой это помогает определить, будет ли она светиться.

Ошибка: считать дырку отдельной положительно заряженной частицей. Такое представление возникает потому, что дырку удобно описывать как носитель положительного заряда. На самом деле это место, где отсутствует электрон, а «движение» дырки связано с перемещением электронов в связях. Проверка простая: не следует приписывать дырке свойства самостоятельной частицы.

Ошибка: полагать, что полупроводник всегда проводит хуже металла. Обычно сравнение делают по одному условию и забывают, что свойства полупроводника сильно меняются. Нагревание, освещение и примеси могут увеличить число носителей заряда и изменить проводимость. Проверяйте, заданы ли условия опыта: без них сравнение может оказаться неверным.

Ошибка: считать, что транзистор создаёт энергию. Это заключение появляется, когда небольшой сигнал связывают с большим током в нагрузке. Транзистор только управляет током, а энергию лампе передаёт источник питания основной цепи. Чтобы проверить себя, найдите в схеме источник энергии и не путайте его с управляющим сигналом.

Связь с другими темами

Для понимания полупроводниковых приборов нужны знания об электрическом токе, напряжении и замкнутой электрической цепи. Также важно представлять, что заряд переносят движущиеся носители: в проводнике это электроны, а в полупроводнике — электроны и дырки. Тогда проще объяснить, почему напряжение влияет на ток через p-n-переход. Диоды используют в выпрямителях, светодиоды — в индикаторах, а транзисторы — в электронных устройствах для управления сигналами.

Что запомнить

• Проводимость полупроводника зависит от температуры, освещения и примесей.
• Ток в полупроводнике переносится электронами и дырками.
• p-n-переход образуется на границе областей с разными типами проводимости.
• Диод преимущественно пропускает ток в одном направлении.
• Светодиод излучает свет при прохождении тока в прямом направлении.
• Транзистор позволяет управлять током с помощью управляющего сигнала.