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. Более сложно устроены термоэлементы и фотоэлементы, а также диодыи триоды, так как состоят из нескольких полупроводниковых веществ и уже не с собственной, а с примесной проводимостью.
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 возникает разноимённая электризация. 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 электроэнергии 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 желтым цветом). Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают (показаны зелёным цветом). Это приводит к тому, что в них уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре «примесные» электроны реже покидают атомы, значит и реже образуются дырки.
Под действием тепла в верхних концах полупроводников, наоборот, увеличивается количество свободных электронов и, соответственно, дырок. И те, и другие, отталкиваясь от своих «братьев» или «сестёр», перемещаются в нижние части своих кристалов, заряжая их разноимённо. Строго говоря, наличие двух полупроводников в термоэлементе не обязательно, так как они не касаются друг друга. Пару используют лишь для того, чтобы создать встречные потоки электронов и дырок, то есть более высокое напряжение. Наряду с этим, теплота, получаемая от источника тепла, используется полнее, что ведёт и к значительному росту КПД элемента.
Полупроводниковый диод (см. рисунок) – прибор с одним p-n-переходом и двумя контактами для включения в цепь. Диоды применяются для пропускания тока только в одном направлении, что необходимо для преобразования переменного тока в постоянный (см. § 09-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 второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n-переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения.
Полупроводниковый триод или, что то же самое, транзистор (см. схему) – прибор с двумя p-n-переходами и тремя контактами для включения в цепь. Рассмотрим пример устройства и работы p-n-p-транзистора. Его средняя прослойка n-типа называется базой и изготавливается очень тонкой для облегчения прохождения электронов и дырок. Крайние прослойки называются эмиттером и коллектором.

Включим транзистор по схеме. Обратите внимание: эмиттер (он p-типа, то есть с положительной проводимостью) подключён к «+» первого источника тока. Однако коллектор (он также с положительной проводимостью) подключен наоборот: к «–» второго источника тока.
По причине тонкости базы, дырки из эмиттера «засасываются» электрическим полем коллектора (его отрицательным зарядом) и проходят транзистор «насквозь». Пренебрегая малым током через базу, можно записать, что Iэ » Iк. Первый источник обычно берут с напряжением 1–10 В, а второй с напряжением 10–100 В. Тогда при указанном равенстве сил токов мы получим усиление тока по мощности в »10 раз!