09-и. Полупроводниковые приборы
§ 09-и. Полупроводниковые приборы
К простейшим полупроводниковым приборам относятся те, которые состоят из одного полупроводника с собственной проводимостью (см. § 8-к). Это терморезисторы и фоторезисторы — устройства, изменяющие своё сопротивление в зависимости от температуры и/или освещённости. Чуть более сложно устроены термоэлементы и фотоэлементы, а также диоды, так как состоят из нескольких полупроводников и уже не с собственной, а с примесной проводимостью. Рассмотрим их подробнее.
Термо- и фоторезисторы не создают электрический ток, а лишь меняют своё сопротивление току, идущему через них. Под влиянием тепла или света увеличивается число свободных электронов и дырок, в результате чего возрастает электропроводность (или, что то же самое, уменьшается сопротивление). Напротив, термо- и фотоэлементы способны создавать электрический ток, то есть быть источниками электроэнергии.
Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кремниевого кристалла n-типа, в котором путём добавления примесей создана p-область (см. рисунок). В § 8-к мы отметили, что на концах p-n–перехода самостоятельно возникают разноимённые заряды. То есть его можно рассматривать как источник кратковременного тока. Если же к p-n–переходу постоянно подводить световую энергию (то есть вызывать образование всё новых и новых пар электрон–дырка), получится постоянно действующий источник с напряжением около 1 В.
Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход (см. рисунок). Они соединены металлической пластиной, к которой подводится тепло от нагревателя (показана жёлтым цветом). Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают воздухом или другим способом (показаны зелёным цветом). В более холодных частях полупроводников уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре «примесные» электроны реже покидают атомы, значит, и реже образуются дырки.
Под действием теплоты в верхних концах полупроводников, наоборот, увеличивается количество свободных электронов и дырок. Они, отталкиваясь от своих «братьев» или «сестёр», перемещаются в нижние части своих кристаллов, заряжая их разноимённо. Строго говоря, наличие двух полупроводников не обязательно, так как они не касаются друг друга. Полупроводниковую пару используют, чтобы создать встречные потоки электронов и дырок, то есть более высокое напряжение. Наряду с этим, теплота, получаемая от источника энергии, используется полнее, что ведёт и к значительному росту КПД термоэлемента.
Термо- и фоторезисторы применяются в качестве датчиков температуры и освещённости, позволяя измерять эти характеристики электронными приборами. Это даёт возможность автоматизировать измерения и, как следствие, технологические процессы. Термо- и фотоэлементы применяются в качестве основных источников электрической энергии в труднодоступных местах земной поверхности и в космосе, а также в качестве альтернативных экологически чистых источников электроэнергии.
Полупроводниковый диод (см. рисунок) — прибор с одним p-n–переходом и двумя контактами для включения в цепь. Диоды применяют для пропускания тока только в одном направлении, что необходимо для преобразования переменного тока в постоянный (см. § 9-й), а также для детектирования радиосигналов (см. § 11-й).
Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь основного кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n–переход, способный пропускать постоянный электрический ток только в одном направлении. О применении этого — в следующем параграфе.