Перейти до основного вмісту
Каталог

p–n-перехід, напівпровідниковий діод і транзистор

~15 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань

Електродинаміка
Фізика НМТ

Пояснюєш однобічну провідність p–n-переходу, аналізуєш вольт-амперну характеристику діода та розумієш принцип дії транзистора. Зіставляєш напівпровідникові прилади з фізичною основою їхньої роботи.

p–n-перехід

p-n-перехід — це тонкий шар на межі напівпровідників p- і n-типу. Коли ці два матеріали приводять у контакт, починається дифузія:електрониз n-області переходять у p-область, адіркиз p-області — у n-область.

У результаті на межі залишаються нерухомі йони домішок — додатні в n-області та від'ємні в p-області. Ці нерухомі заряди створюютьвнутрішнє електричне поле, напрямлене від n-області до p-області. Це поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв. Область, збіднена на вільні носії заряду, називаєтьсязапірним шаром.

Рендеринг діаграми…

Пряме вмикання

Пряме вмикання — це коли p-область з'єднано з «+» джерела, а n-область — з «-». Зовнішнє електричне поле напрямлене протилежно до внутрішнього поля запірного шару. Тому запірний шар звужується, його опір зменшується, і основні носії (електрони з n-області та дірки з p-області) вільно проходять через перехід. Струм стає великим і зростає зі збільшенням прикладеної напруги.

Зворотне вмикання

Зворотне вмикання — це коли p-область з'єднано з «-» джерела, а n-область — з «+». Зовнішнє поле діє в тому самому напрямку, що й внутрішнє поле запірного шару. Запірний шар розширюється, основні носії відтягуються від межі, і струм через перехід стає дуже малим. Його створюють лише неосновні носії — ті, яких у відповідній області дуже мало. Тому струм у зворотному напрямку практично дорівнює нулю.

Вентильна властивість

З описаного випливає головна властивість p–n-переходу — однобічна (вентильна) провідність. У прямому напрямку (p до «+») перехід пропускає великий струм, у зворотному (p до «-») — майже не пропускає. Це і є фізичною основою роботи напівпровідникового діода.

Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод — це кристал із одним p–n-переходом і двома виводами. Вивід, з'єднаний з p-областю, називаютьанодом, а вивід, з'єднаний з n-областю, —катодом. Діод пропускає струм тільки тоді, коли анод з'єднано з додатним полюсом джерела, а катод — з від'ємним (пряме вмикання). Це називається однобічною провідністю.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ)

Вольт-амперна характеристика діода — це графік залежності струму від прикладеної напруги. ВАХ діоданелінійнайнесиметрична. У прямому напрямку струм майже нульовий, поки напруга не досягне порогового значення (для кремнієвого діода приблизно 0,6–0,7 В, для германієвого — 0,2–0,3 В). Після цього струм різко зростає зі збільшенням напруги. У зворотному напрямку струм залишається практично нульовим аж до напруги пробою: після неї зворотний струм різко зростає, і діод може вийти з ладу.

Рендеринг діаграми…

Застосування діодів

Найважливіше застосування діода — випрямляння змінного струму. Однопівперіодне випрямлення виконує один діод: він пропускає лише додатні півхвилі змінного струму. Двопівперіодне випрямлення потребує мостової схеми з чотирьох діодів — тоді випрямляються обидві півхвилі. Діоди також використовують для детектування сигналів у радіотехніці та для захисту пристроїв від неправильної полярності під'єднання джерела живлення.

Аналіз схем із діодом

Щоб визначити, чи пропускає діод струм у конкретній схемі, подивися на полярність: якщо анод (p-область) з'єднано з додатним полюсом джерела, а катод (n-область) — з від'ємним, діод увімкнено в прямому напрямку й він проводить. Якщо полярність протилежна — діод закритий. Наприклад, лампа, з'єднана послідовно з діодом, увімкненим у зворотному напрямку, не світитиметься.

Транзистор

Транзистор — це напівпровідниковий прилад із двома p–n-переходами й трьома виводами: емітер, база і колектор. Існують два основні типи: n–p–n (емітер і колектор n-типу, база p-типу) і p–n–p (емітер і колектор p-типу, база n-типу). Транзистор виконує дві головні функції: підсилює електричний сигнал і працює як електронний перемикач.

Рендеринг діаграми…

Принцип дії

Малий струм у колі бази керує великим струмом у колі колектора. Коли на базу подають невеликий струм, він відкриває емітерний p–n-перехід (у прямому вмиканні), і більшість носіїв з емітера потрапляють у базу. Оскільки база дуже тонка, майже всі ці носії досягають колекторного переходу й створюють великий колекторний струм. Невелика зміна вхідного сигналу (струму бази) спричиняє велику зміну вихідного сигналу (струму колектора) — у цьому й полягає підсилення.

Режими роботи

У підсилювальному режимі транзистор працює так, що струм колектора пропорційний струму бази. Коефіцієнт підсилення за струмом β (бета) може сягати кількох сотень. У ключовому режимі транзистор перебуває в одному з двох станів: відкритий (насичення) — струм колектора максимальний, або закритий (відсічка) — струм колектора мінімальний. Саме в ключовому режимі транзистори працюють у логічних мікросхемах і процесорах комп'ютерів.

Масштаби й значення

Транзистор замінив електронні лампи, тому що він набагато менший, споживає значно менше енергії, не потребує часу на розігрів і набагато надійніший. Сучасні інтегральні схеми (мікропроцесори, мікросхеми пам'яті) містять мільярди транзисторів на одному кристалі розміром з ніготь. Мініатюризація транзисторів — основа прогресу всієї цифрової електроніки.

Інші напівпровідникові прилади

Окрім діода й транзистора, існує багато інших напівпровідникових приладів, кожен із яких використовує певне фізичне явище. Розгляньмо найважливіші з них.

Світлодіод

Світлодіод — це діод, який при прямому вмиканні випромінює світло. Під час рекомбінації електронів і дірок у p–n-переході виділяється енергія у вигляді фотонів (світла). Колір світіння залежить від матеріалу напівпровідника. Світлодіоди набагато енергоефективніші за звичайні лампи розжарювання.

Фотодіод і сонячний елемент

Фотодіод — це прилад, у якому під дією світла в області p–n-переходу створюються додаткові носії заряду (електрони й дірки). Якщо до фотодіода прикладено зворотну напругу, ці носії створюють струм, пропорційний освітленості. Сонячний елемент (фотоелемент) працює за тим самим принципом, але без зовнішнього джерела — світло самостійно створює фотоЕРС (фотоелектрорушійну силу), яка може живити навантаження.

Терморезистор і фоторезистор

Терморезистор — це напівпровідниковий резистор, опір якого сильно залежить від температури. З підвищенням температури кількість вільних носіїв заряду зростає, тому опір терморезистора зменшується. Фоторезистор — це резистор, опір якого зменшується зі збільшенням освітленості, бо світло створює додаткові носії заряду.

Зіставлення приладів із фізичною основою

Прилад

Фізична основа дії

Напівпровідниковий діод

Однобічна провідність p–n-переходу

Транзистор

Керування струмом колектора малим струмом бази

Терморезистор

Залежність опору від температури (зміна кількості носіїв)

Фоторезистор

Залежність опору від освітленості (зміна кількості носіїв)

Світлодіод

Випромінювання світла під час рекомбінації в p–n-переході

Фотодіод / сонячний елемент

Виникнення фотоЕРС у p–n-переході під дією світла

На НМТ можуть давати завдання на зіставлення: тобі треба поставити кожному приладові у відповідність правильну фізичну основу. Не плутай: діод — однобічна провідність, транзистор — керування струмом, фотоелемент — фотоЕРС, терморезистор — температура.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Діод у колі — чи світиться лампа?

Умова:

Діод з'єднано анодом з додатним полюсом джерела живлення, а катодом — з від'ємним. Послідовно з діодом увімкнено електричну лампу. Що відбуватиметься в колі?

Розв'язання:

Анод діода з'єднано з «+», отже, це пряме вмикання p–n-переходу (p-область діода з'єднана з додатним полюсом). При прямому вмиканні запірний шар звужується, діод проводить струм. Лампа, увімкнена послідовно, світитиметься.

Відповідь: Лампа світиться, бо діод увімкнено в прямому напрямку й він пропускає струм.

Чому інші варіанти хибні? Якби діод було ввімкнено у зворотному напрямку (анод до «-»), він би не проводив, і лампа не світилася б. Струм не може обійти діод, адже він увімкнений послідовно.


Приклад 2. Зіставлення приладів і фізичної основи

Умова:

Установи відповідність між напівпровідниковим приладом (1–3) і фізичною основою його дії (А–Д).

Прилад

Фізична основа

1 Терморезистор

А Залежність опору від температури

2 Транзистор

Б Керування струмом колектора малим струмом бази

3 Сонячний елемент

В Виникнення фотоЕРС у p–n-переході під дією світла

Залишилися зайві варіанти: Г — однобічна провідність p–n-переходу (це фізична основа діода), Д — термоелектронна емісія (це основа роботи електронної лампи).

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В.

Роз'яснення: терморезистор змінює опір через зміну кількості носіїв заряду з температурою. Транзистор підсилює завдяки керуванню струмом бази. Сонячний елемент перетворює світло на електрику (фотоЕРС).


Приклад 3. Дві схеми з діодом

Умова:

У якій зі схем, А чи Б, світитиметься лампа? У схемі А діод увімкнено анодом до «+», катодом до «-». У схемі Б діод увімкнено анодом до «-», катодом до «+».

Розв'язання:

У схемі А анод — до «+» джерела, отже, діод увімкнено в прямому напрямку — він проводить струм, і лампа світиться. У схемі Б анод — до «-», це зворотне вмикання — діод не проводить, і лампа не світиться.

Відповідь: У схемі А.

Типова помилка: плутати анод і катод. Запам'ятай: струм проходить від анода до катода, тому анод має бути з'єднаний з «+».


Приклад 4. Переходи транзистора в підсилювальному режимі

Умова:

У підсилювальному режимі роботи транзистора n–p–n типу який із двох p–n-переходів відкритий (пряме вмикання), а який закритий (зворотне вмикання)?

Розв'язання:

У транзистора n–p–n типу емітерний перехід (між емітером n-типу та базою p-типу) увімкнено в прямому напрямку — він відкритий. Колекторний перехід (між базою p-типу та колектором n-типу) увімкнено в зворотному напрямку — він закритий. У такому стані електрони з емітера інжектуються в базу, і майже всі досягають колектора, створюючи великий колекторний струм.

Відповідь: Емітерний перехід — у прямому вмиканні (відкритий), колекторний перехід — у зворотному вмиканні (закритий).

Не плутай: якби обидва переходи були відкриті, транзистор працював би в режимі насичення (ключ увімкнено). Якби обидва були закриті — у режимі відсічки (ключ вимкнено).

Типові помилки й пастки

  • Визначати, чи проводить діод, без урахування полярності джерела. Діод проводить лише при прямому вмиканні: анод (p) до «+», катод (n) до «-». Завжди перевіряй полярність.

  • Плутати анод і катод діода. Анод — це вивід від p-області, катод — від n-області. Струм у колі тече від анода до катода (всередині джерела — навпаки).

  • Вважати, що зворотний струм p–n-переходу дорівнює нулю в усьому діапазоні. Насправді неосновні носії створюють дуже малий зворотний струм (одиниці мікроампер). При напрузі пробою струм різко зростає, і діод може вийти з ладу.

  • Плутати транзистор із двома діодами, ігноруючи керування струмом бази. Хоча транзистор має два p–n-переходи, він не є просто двома діодами, з'єднаними послідовно. Його головна властивість — малий струм бази керує великим струмом колектора завдяки тонкій базі.

  • Ототожнювати p-область із додатним зарядом усього кристала. p-область має надлишок дірок (позитивних носіїв), але сам кристал залишається електронейтральним. Додатний заряд компенсується від'ємними йонами акцепторної домішки.

Як це перевіряють на НМТ

Тема «Напівпровідникові прилади» (тема 3.3 за програмою НМТ) перевіряється в завданнях різних форм.

Демоваріант 2026: завдання № 16 — «логічні пари» (0–3 бали), у якому треба зіставити напівпровідникові прилади (наприклад, терморезистор, транзистор, фотоелемент) із фізичною основою їхньої дії.

Програма НМТ (тема 3.3): вимагає аналізувати вольт-амперну характеристику діода та пояснювати дію напівпровідникових приладів. Важливо: у довідкових матеріалах НМТ цього змісту немає — будову й принцип дії приладів треба знати напам'ять.

Стратегія підготовки:

  • Кожному приладові постав у відповідність одну ключову властивість і не змішуй їх між собою.

  • Запам'ятай коротко: діод — однобічна провідність; транзистор — керування струмом; фотоелемент — фотоЕРС; терморезистор — залежність від температури; фоторезистор — залежність від освітлення.

  • Тренуйся визначати полярність у схемах: діод проводить, якщо анод з'єднано з «+».

Питання й відповіді

Чому p–n-перехід пропускає струм в одному напрямку?

У прямому вмиканні (p до «+», n до «-») зовнішнє електричне поле напрямлене протилежно до внутрішнього поля запірного шару. Запірний шар звужується, і основні носії заряду (електрони з n-області, дірки з p-області) вільно проходять через перехід. У зворотному вмиканні (p до «-», n до «+») зовнішнє поле збігається за напрямком із внутрішнім, запірний шар розширюється, і основні носії не можуть подолати потенціальний бар'єр. Струм створюють лише неосновні носії, яких дуже мало.

Що таке запірний шар?

Запірний шар — це область на межі p- і n-напівпровідників, збіднена на вільні носії заряду. Він утворюється внаслідок дифузії електронів з n-області в p-область і дірок з p-області в n-область. У цій області залишаються нерухомі йони домішок, які створюють внутрішнє електричне поле, що перешкоджає подальшій дифузії. Запірний шар має великий опір і не проводить струм у зворотному напрямку.

Чому транзистор підсилює сигнал?

Транзистор підсилює завдяки тому, що малий струм бази керує великим струмом колектора. Коли на базу подають невеликий вхідний струм, він відкриває емітерний перехід, і з емітера в базу потрапляє багато носіїв заряду. Оскільки база дуже тонка, майже всі ці носії досягають колектора, створюючи струм, у багато разів більший за струм бази. Коефіцієнт підсилення за струмом β може сягати 100–500. Таким чином, невелика зміна вхідного сигналу спричиняє пропорційно велику зміну вихідного.

Чим світлодіод відрізняється від звичайного діода?

Світлодіод — це той самий p–n-перехід, але виготовлений із матеріалів, у яких рекомбінація електронів і дірок супроводжується випромінюванням фотонів видимого світла (або інфрачервоного). Звичайний діод призначений лише для однобічної провідності, і енергія рекомбінації в ньому виділяється у вигляді тепла. Світлодіод, навпаки, перетворює електричну енергію на світло з високою ефективністю. Колір світіння залежить від ширини забороненої зони напівпровідника.

Коротко: головне

  • p–n-перехід пропускає струм у прямому напрямку (p до «+»), майже не пропускає у зворотному через утворення запірного шару.

  • Діод випрямляє змінний струм; його ВАХ нелінійна — струм різко зростає після порогової напруги.

  • Транзистор: емітер, база, колектор; малий струм бази керує великим колекторним струмом (підсилення).

  • Прилад ↔ фізична основа: діод — однобічна провідність p–n-переходу; транзистор — керування струмом; терморезистор і фоторезистор — зміна кількості носіїв заряду; світлодіод — випромінювання світла під час рекомбінації.