В эпоху цифровых технологий мы настолько привыкли ко всевозможным гаджетам и прочим электронным устройствам, что уже не задумываемся о том, как они работают и что происходит у них внутри. Такие понятия, как электрический ток, полупроводники, транзисторы и чипы мы просто принимаем как данность. В этом нет ничего плохого. Это нормально.
Если же вы хотите узнать чуть больше, понимать физику и логику процесса, то я постараюсь вкратце и простым, доступным языком сделать так, чтобы «темный лес» превратился в «светлую и уютную рощу».
Начнем с полупроводников. Почему они так популярны в электронике и почему так востребованы транзисторы?
Деление материалов на виды
По электрическим свойствам и возможному применению в электротехнике и электронике материалы делятся на 3 основных класса:
- проводники;
- полупроводники;
- изоляторы (диэлектрики).
Класс первый – проводники. Это материалы с очень хорошей пропускной способностью по электричеству. Как правило, хорошо проводят электрический ток именно металлы, так как в их кристаллических решетках есть подвижные электроны, которые перемещаются под действием электрического поля и создают ток. Наибольшей электропроводностью обладают серебро, золото, медь и алюминий. Однако ввиду дороговизны первых двух металлов, в качестве материала для проводов чаще всего используют медь и алюминий.
Класс второй – изоляторы. Это материалы с очень плохой электропроводностью. К таким материалам можно отнести стекло, дерево, резину, пластик.
И, наконец, третий класс материалов – полупроводники. Это материалы, занимающие некое промежуточное состояние между проводниками и изоляторами. При комнатной температуре у полупроводников более низкая электропроводность, чем у проводников, но выше, чем у изоляторов. Однако, при низкой температуре полупроводники проявляют свойства диэлектриков, а при высокой – проводников.
В таблице Менделеева полупроводниковыми свойствами обладают только 12 элементов (выделены фиолетовым цветом).
Из них при производстве полупроводниковых приборов самыми востребованными являются кремний (Si) и германий (Ge). Особенно кремний, как самый дешевый и универсальный материал.
Кстати, у людей, далеких от темы электроники, возникает вполне резонный вопрос: если материал называется «ПОЛУпроводником», означает ли это, что он пропускает электрический ток ровно в 2 раза меньше, чем проводник?
На самом деле, приставка «полу-» в данном случае чисто условная. Электрические свойства полупроводников, в частности электрическое сопротивление, могут меняться в довольно широком диапазоне, и этот процесс можно регулировать. Например, за счет нагревания, освещения или введения каких-то добавок.
Почему полупроводники так востребованы в электронике?
Полупроводники можно найти в любом электронном устройстве – от говорящих игрушек до бытовых приборов, от смартфонов до сложнейших агрегатов.
Но почему полупроводниковые приборы так востребованы в электронике? Может ли электроника существовать без них?
Да, может. Раньше в электронике использовались ламповые (вакуумные) приборы.
В них проводимость электронов происходит в газообразном состоянии. Когда же в середине 20-го века изобрели полупроводниковые устройства, где всё то же самое, но в твердом состоянии, в электронике произошла настоящая революция. Полупроводниковые приборы оказались гораздо компактнее и перспективнее. То есть, портативность и миниатюризация техники стала возможной именно благодаря полупроводниковым приборам и полупроводниковым транзисторам в частности.
Что происходит внутри полупроводника
Для начала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому.
Структура металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть свободные электроны, почти не связанные с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, обеспечивая проводимость электрического тока.
В полупроводниках свободных электронов не очень много. Но если к ним «подсадить» трех- или пятивалентные атомы другого вещества (этот процесс называется легированием), картина меняется кардинальным образом.
Так, если добавить к 4-валентному кремнию 5-валентный мышьяк, атомы веществ вступят в ковалентную связь, но одному электрону атома мышьяка места не будет — он превратится в свободный электрон. Итоговый «сплав» называют полупроводником n-типа.
Грубо говоря, это все равно что на танцплощадку с одного входа войдут 4 неразлучные девушки, а с другого входа – 5 таких же неразлучных парней. Подойдя друг к другу, парни и девушки сразу же забудут про свою «неразлучность», разобьются по парам и начнут танцевать. При этом один парень останется без пары. Будучи активным, он выхватит девушку из ближайшей пары, оставив не у дел другого парня. Тот, в свою очередь, разобьет следующую пару и так далее. Этот процесс происходит хаотично и может длиться практически до бесконечности.
Если же добавить к тому же 4-валентному кремнию 3-валентный бор или галлий, то наоборот – у атомов добавленного вещества будет не хватать одного электрона, поэтому в результате реакции будет появляться положительно заряженный ион (его еще называют «дыркой»). Он и будет основным носителем заряда. (Как вы уже догадались, на примере с девушками и парнями это будет 4 девушки и 3 парня). Итоговый «сплав» называют полупроводником p-типа.
Но сам по себе полупроводник — это всего лишь материал. Для того, чтобы использовать его особенности, инженеры разработали полупроводниковые приборы. Наиболее популярные из которых – диод и транзистор.
Диод
При изготовлении диода используют 2 половинки из разных полупроводников: n- и p-типа. То есть прикладывают друг к другу 2 «сплава» – кремний, легированный мышьяком и кремний, легированный бором.
Как вы уже поняли, процесс появления электронов и «дырок» хаотичен, но если к диоду приложить прямое напряжение (анод подключить к плюсу, а катод к минусу), то электрическое поле внутри p-n перехода создает упорядоченное движение носителей заряда от анода к катоду, как в металле. А это есть не что иное, как электрический ток.
Если же к диоду приложить обратное напряжение (анод к минусу, катод к плюсу), электрическое поле будет препятствовать движению основных носителей заряда. Однако, даже при обратном включении диода через него может протекать небольшой обратный ток за счет движения неосновных носителей заряда (дырок в n-полупроводнике и электронов в p-полупроводнике). Но этот ток настолько мал, что им можно пренебречь.
Таким образом, диод работает как клапан, пропуская ток только в одном направлении (от анода к катоду) и блокируя его в обратном направлении.
В одной из прошлых своих статей про отличие переменного тока от постоянного я упоминал об этом полезном свойстве диода. В частности, о том, как оно помогает преобразовывать переменный ток в постоянный.
Вообще, диод – довольно популярный электронный компонент, но всё же самый популярный – транзистор.
О том, что такое транзистор и какую роль он играет в современной технике, вы узнаете из второй части статьи.
(Полупроводники, транзисторы и микрочипы простыми словами. Часть 2-я.)
Если вам понравилась статья, не забудьте поставить лайк. А чтобы не пропустить новые публикации, вы можете подписаться на канал.
