P- и n- полупроводники. P-n- переход.

Чистый полупроводник имеет равное число носителей заряда обоих знаков: число электронов равно числу дырок. Добавляя в полупроводник небольшое количество примесей, можно создать преобладание определенных носителей заряда.

Атом германия, например, имеет четыре валентных электрона. Они формируют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Если их добавить к кристаллу германия, каждый из этих электронов формирует связи с четырьмя электронами соседних атомов германия. Пятый электрон остается свободным, и может перемещаться через кристалл. Это приводит к образованию некоторого числа свободных электронов. Такой смешанный полупроводник называется n-полупроводником, где "n" означает отрицательный заряд электрона. Дырок в таком полупроводник меньше, чем электронов.

Обратное получается, если к кристаллу германия добавить трехвалентные атомы, например, индий. Каждый из атомов индия в решетке германия окружен четырьмя электронами, с тремя из которых формирует ковалентные связи, а на месте четвертой связи из-за отсутствия у индия еще одного валентного электрона формируется дырка. Таким образом, происходит огромное увеличение числа дырок. Так формируется р-полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки, или положительные заряды.

С помощью специального технологического процесса p- и n- полупроводники соединяют между собой, при этом образуется p-n- переход. Это соединение очень тонкое - порядка 1 микрометра. Высокая концентрация электронов на одной стороне p-n- перехода и дырок на другой стороне заставляет их перемещаться через p-n- переход в противоположных направлениях.

Электроны, которые переместились на сторону p-полупроводника, рекомбинируют там с дырками. Эти дырки, следовательно, исчезают, и на стороне p-полупроводника появляется избыточный отрицательный заряд. Аналогично в n- полупроводнике создается избыточный положительный заряд. Результатом этого является формирование разности потенциалов на границе полупроводников обоих типов, которая прекращает ток электрических зарядов через p-n- переход. Узкая область в p-n- переходе, ограничивающая ток свободных носителей заряда, называется запирающим слоем. Он ведет себя как изолятор.

p-n- переход имеет одностороннюю электрическую проводимость. Электрический ток может пройти через него только в одном направлении - из p-полупроводника в n- полупроводник. Если увеличить прикладываемую разность потенциалов, ток проходит через p-n- переход̣. Такое подключение является пропускным.

Когда направление электрического тока меняется на противоположное, через p-n-переход течет малое число носителей заряда. Это запирающее подключение диода в цепь. Односторонняя электропроводность p-n-перехода используется для выпрямления переменного электрического тока полупроводниковыми диодами.

Полупроводниковый диод состоит из кристалла, часть которого n-типа и часть p-типа. Он позволяет току проходить только в одном направлении и эффективно блокировать ток в другом направлении. Используется для преобразования переменного электрического тока в постоянный ток.

Транзистор

Транзистор используется как усилитель электрического тока. Биполярный транзистор сделан из трех слоев p- и n- полупроводников. Они называются соответственно эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). База умышленно делают очень тонкой. Функцией эмиттера является впрыскивание большого числа носителей заряда в базу. Коллектор извлекает их из базы.

Есть два типа транзисторов: p-n-p и n-p-n. В p-n-p- транзисторах, эмиттер p-типа, база - n- типа и коллектор p- типа. В n-p-n- транзисторах эмиттер - n- типа, база - p- типа и коллектор является n-типа. Таким образом, транзистор можно рассматривать как два p-n- перехода.

Транзисторы широко используются для усиления силы, напряжения и мощности электрического тока. Транзистор может быть размещен в нескольких режимах в цепях усилителя.

Эмиттер-база p-n-переход подключен в пропускном направлении и имеет маленькое электрическое сопротивление. Наоборот, база-коллектор p-n- переход подключен в запирающем направлении. Его характеризует высокое сопротивление, и только небольшой ток может протекать через такое соединение.

Когда ток течет через входную цепь, большинство носителей заряда (дырки) легко проникают в базу. Ширина базы достаточно мала, и наибольшее число дырок, поступивших из эмиттера, протекая через базу, достигает коллектора. Результатом этого служит то, что небольшие изменения входного тока в базу вызывают гораздо большие изменения силы тока в выходной цепи. В этом случае транзистор может служить в качестве усилителя силы тока. Изменяя некоторые компоненты цепи, можно увеличить напряжение и мощность.

В настоящее время широко используют цепи, которые включают много транзисторов и других компонентов.