"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Полупроводниковые приборы используют особые свойства материалов, проводимость которых зависит от температуры и примесей. В полупроводниках заряд переносят электроны и дырки. Главный элемент многих приборов — p-n-переход, граница областей с разными типами проводимости. Диод на его основе пропускает ток преимущественно в одном направлении и выпрямляет переменный ток, а транзистор позволяет малым током управлять большим.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводник — материал, электропроводность которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и зависит от условий. К полупроводникам относятся, например, кремний и германий. Это свойство позволяет управлять током с помощью температуры, света и примесей.
Электронно-дырочная проводимость — перенос заряда в полупроводнике электронами и дырками. Дырка ведёт себя как положительный носитель заряда, хотя отдельной частицей не является. Такое представление помогает объяснить ток в разных областях одного кристалла.
p-n-переход — граница между областями полупроводника с разными типами проводимости: дырочной p и электронной n. На этой границе возникает особый слой, влияющий на движение зарядов. Именно он лежит в основе работы диодов и многих других приборов.
Полупроводниковый диод — прибор с одним p-n-переходом, который хорошо пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает в противоположном. Поэтому диод можно сравнить с электрическим клапаном. Его используют для выпрямления тока, защиты цепей и создания источников света.
При нагревании атомы кристалла колеблются сильнее, и некоторые электроны получают энергию, чтобы покинуть свои связи. Так появляются свободные электроны и дырки, способные переносить заряд. Чем больше таких носителей, тем легче полупроводнику проводить ток при том же напряжении. Поэтому его сопротивление обычно уменьшается при нагревании.
Добавление примесей меняет число носителей заряда. Одни атомы отдают кристаллу лишние электроны, и возникает область электронной проводимости n-типа. Другие примеси, наоборот, создают недостаток электронов в связях, то есть дырки, поэтому образуется область p-типа. Управляя примесями, получают нужные свойства материала.
Если соединить области p- и n-типа, электроны из области n начинают переходить к границе, где есть дырки, и рекомбинируют с ними. Вблизи границы остаются неподвижные заряженные частицы примесей, создающие внутреннее электрическое поле. Оно мешает дальнейшему свободному переходу основных носителей через границу. Так появляется запирающий слой и p-n-переход.
При прямом подключении внешнее поле направлено так, что ослабляет внутреннее поле p-n-перехода и сужает запирающий слой. Носители заряда получают возможность перейти через границу, поэтому ток заметно возрастает. При обратном подключении внешнее поле усиливает внутреннее поле и расширяет запирающий слой. Через переход проходит лишь очень малый ток неосновных носителей.
Односторонняя проводимость позволяет диоду выпрямлять переменный ток. В один полупериод диод включён прямо и пропускает ток, а в другой — обратно и почти запирает его. Получается пульсирующий ток одного направления. Транзистор устроен сложнее: небольшой ток в управляющей области изменяет движение носителей в другой цепи, поэтому внешняя цепь может проводить гораздо больший ток.
| Прибор | Устройство или особенность | Основное действие | Применение |
|---|---|---|---|
| Полупроводниковый диод | Один p-n-переход | Пропускает ток преимущественно в одном направлении | Выпрямители, защита цепей |
| Светодиод | Диод, излучающий свет при прямом токе | Преобразует электрическую энергию в световую | Индикаторы, лампы, экраны |
| Фотодиод | Диод, чувствительный к освещению | Преобразует действие света в электрический сигнал | Датчики, системы автоматики |
| Транзистор | Несколько областей полупроводника и управляющий электрод | Управляет током в другой цепи | Усилители, электронные ключи, вычислительная техника |
В таблице сначала определите, какое свойство прибора описано во втором столбце. Затем свяжите это свойство с основным действием и выберите подходящую область применения. Светодиод и фотодиод являются разновидностями диодов, а транзистор используется не только для одностороннего пропускания тока.
Условие. На схеме диод включён последовательно с лампой и источником тока. Определите, загорится ли лампа, если диод подключён в прямом направлении.
Решение.
Ответ: лампа загорится, если напряжение источника достаточно для прохождения заметного тока.
Условие. Почему диод в цепи переменного тока пропускает ток только в течение части периода? Объясните, что будет с током после подключения диода.
Решение.
Ответ: после подключения диода переменный ток превращается в пульсирующий ток одного направления: ток проходит только в одном из двух полупериодов.
Условие. Транзистор управляет лампой: небольшой ток в управляющей цепи включает больший ток в цепи лампы. Объясните роль транзистора и укажите, что изменится, если управляющий ток исчезнет.
Решение.
Ответ: транзистор работает как электронный ключ; без управляющего тока лампа погаснет, если схема рассчитана на включение при подаче этого сигнала.
Считать, что ток переносят только электроны. Так думают по аналогии с металлическими проводами, где основными носителями являются электроны. Проверьте себя: в полупроводнике нужно назвать и электроны, и дырки.
Путать прямое и обратное включение диода. Ошибка возникает, если ориентироваться только на внешний рисунок прибора. Сначала определите полярность: p к плюсу и n к минусу — прямое включение.
Считать, что диод совсем не пропускает обратный ток. В школьной модели обратный ток считают очень малым, но не строго равным нулю. Проверка проста: говорите почти не пропускает, а не никогда не пропускает.
Думать, что транзистор создаёт энергию или управляющий ток равен току нагрузки. Энергию поставляет внешний источник, а транзистор только регулирует её передачу. Разделите на схеме управляющую цепь и цепь нагрузки.
Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, напряжении, электрической цепи и условном направлении тока. Без них трудно определить полярность подключения диода и понять, почему лампа включается.
Свойства полупроводников пригодятся при изучении выпрямления переменного тока, электрических цепей и электронных устройств. На этих свойствах основаны датчики, усилители, источники питания и вычислительная техника.
Почему полупроводник проводит ток хуже металла?
В металле много свободных электронов, а в чистом полупроводнике их значительно меньше. Поэтому при одинаковом напряжении ток в полупроводнике обычно слабее, хотя его проводимость можно заметно изменить нагреванием или добавлением примесей.
Что такое дырка, если это не настоящая частица?
Дырка — это свободное место, появившееся в электронной связи кристалла. Соседние электроны переходят на это место, и кажется, что положительный заряд перемещается в противоположную сторону.
Как определить, в каком направлении включён диод?
Нужно определить, к какому выводу источника подключены области p- и n-типа. Прямое включение получается, когда область p соединена с положительным полюсом, а область n — с отрицательным.
Почему диод выпрямляет переменный ток?
При переменном токе направление движения зарядов периодически меняется. Диод пропускает ток только в один из этих моментов, поэтому на выходе получается ток одного направления, хотя и прерывистый.
Чем транзистор отличается от диода?
Диод имеет один p-n-переход и главным образом пропускает ток в одном направлении. Транзистор содержит несколько областей полупроводника и позволяет управляющим током изменять значительно больший ток в другой цепи.
3. Полупроводниковые приборы
