Полупроводник: почему он управляемый

Полупроводник — материал, который проводит ток «немного»: хуже металла, лучше изолятора. И это «немного» можно менять, добавляя примеси.

Кремний сам по себе имеет четыре валентных электрона: в кристалле все связи заняты, свободных носителей почти нет. Добавили фосфор (пять электронов) — появился лишний свободный электрон, материал стал n-типом. Добавили бор (три электрона) — образовалась «дырка», материал стал p-типом.

Соединяем p и n — получаем p-n переход. На границе электроны и дырки рекомбинируют, образуется обеднённая зона без свободных носителей. Она работает как барьер.

Прямое смещение (плюс на p, минус на n) сужает барьер: при 0.6–0.7 В у кремния он исчезает, и ток идёт. Обратное — расширяет барьер, ток почти не идёт, пока не наступит пробой.

Отсюда всё: диод (один переход), биполярный транзистор (два перехода, тонкая база), MOSFET (управляемый полем через изолированный затвор), солнечная батарея (переход освещается — появляется ЭДС), светодиод (рекомбинация даёт фотоны), стабилитрон (обратный пробой обратим).

Что важно на практике: падение 0.7 В у кремния и 0.3 В у германия — это не «свойство диода», а ширина запрещённой зоны материала. Карбид кремния (SiC) даёт 3 В и работает при 200 °C, арсенид галлия светится.

И ещё: полупроводник проводит ток иначе, чем металл. У металла сопротивление растёт с температурой, у полупроводника падает (носителей становится больше). Поэтому транзистор при нагреве открывается сильнее — и это причина теплового разгона.