p–n-перехід, напівпровідниковий діод і транзистор

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.

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 — 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.

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 — 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.

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.

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

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.

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).

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).

• 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.

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 «+».

• 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.