Полупроводники и p-n переход

Полупроводники и p-n переход

Полупроводники (кремний, германий) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их удельное сопротивление сильно зависит от температуры, освещения и примесей, что делает их основой всей современной электроники.

Собственная проводимость

В чистом полупроводнике при нагреве часть электронов разрывает связи и становится свободной, оставляя дырку — вакантное место с положительным эффективным зарядом. Ток создают и электроны, и дырки. С ростом температуры число носителей растёт, поэтому сопротивление полупроводника уменьшается — в отличие от металлов.

Примесная проводимость

Введение примесей резко меняет проводимость:

• Донорная примесь (например, мышьяк) даёт лишние электроны — полупроводник n-типа, основные носители — электроны.
• Акцепторная примесь (например, индий) создаёт лишние дырки — полупроводник p-типа, основные носители — дырки.

Тип	Примесь	Основные носители
n-тип	донорная	электроны
p-тип	акцепторная	дырки

p-n переход и диод

На границе областей p и n-типов образуется p-n переход — слой, обеднённый носителями. Он обладает односторонней проводимостью: пропускает ток в прямом направлении и почти не пропускает в обратном. На этом основан полупроводниковый диод, выпрямляющий переменный ток.

Зависимость от температуры и света

При нагревании или освещении полупроводника энергии хватает, чтобы разорвать больше связей, поэтому число свободных носителей растёт, а сопротивление падает. На этом основаны терморезисторы (датчики температуры) и фоторезисторы (датчики освещённости). Эта чувствительность делает полупроводники удобными для измерительной техники.

Применение полупроводниковых приборов

На основе p-n переходов созданы важнейшие приборы: диод выпрямляет ток, транзистор усиливает сигналы и работает как переключатель, светодиод излучает свет при прохождении тока, солнечная батарея превращает свет в электрический ток. Без полупроводников невозможны компьютеры и вся микроэлектроника.

Разобранный пример

Подключение диода: - прямое включение: плюс источника к области p → переход открыт, ток идёт, сопротивление мало; - обратное включение: плюс источника к области n → переход заперт, ток практически равен нулю. Поэтому диод пропускает только одну полуволну переменного тока — это выпрямление.

Если на диод подать переменное напряжение, через нагрузку пойдёт пульсирующий ток одного направления. Чтобы сгладить пульсации, параллельно нагрузке ставят конденсатор — так устроен простейший выпрямитель блока питания.

Частые ошибки. Дырка — не реальная частица, а удобная модель отсутствия электрона. Сопротивление полупроводника при нагреве падает (носителей становится больше), а у металла — растёт. В n-типе тоже есть дырки, но они неосновные носители.

Кратко о главном

• Полупроводники: проводимость сильно зависит от температуры, света и примесей.
• Собственная проводимость — за счёт электронов и дырок; при нагреве сопротивление падает.
• Примеси дают n-тип (электроны) и p-тип (дырки).
• p-n переход обладает односторонней проводимостью — основа диода и выпрямителя.