Полупроводники и p-n переход
⚡ Физика · 11 класс
Чем полупроводники отличаются от металлов, что такое собственная и примесная проводимость и как работает p-n переход и диод.
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.