Вопросы, страница 63 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Что такое $p-n$-переход?

2. Почему $p-n$-переход обладает односторонней проводимостью?

3. Как работает солнечная батарея?

4. Как устроен транзистор?

5. Как транзистор используется для усиления электрических сигналов?

1. Что такое p-n-переход?

Электронно-дырочный переход, или p-n-переход, — это область на границе двух полупроводников с разными типами проводимости: p-типа (дырочная) и n-типа (электронная), созданная в едином кристалле.

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются свободные электроны, а в полупроводнике p-типа — «дырки» (вакантные места для электронов, ведущие себя как положительные заряды).

При контакте этих двух областей происходит диффузия: электроны из n-области переходят в p-область, где рекомбинируют с дырками, а дырки из p-области перемещаются в n-область. В результате на границе образуется так называемый «обеднённый слой» (или запирающий слой), в котором практически нет свободных носителей заряда. В этом слое возникает внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к p-области, которое препятствует дальнейшей диффузии.

Ответ: p-n-переход — это область контакта полупроводников p- и n-типа в одном кристалле, характеризующаяся наличием внутреннего электрического поля и обеднённого слоя.

2. Почему p-n-переход обладает односторонней проводимостью?

Односторонняя проводимость p-n-перехода обусловлена его различной реакцией на полярность внешнего электрического поля.

Прямое включение (смещение): Если к p-области подключить положительный полюс источника тока, а к n-области — отрицательный, то внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего поля p-n-перехода. Это приведёт к уменьшению ширины обеднённого слоя и снижению потенциального барьера. Основные носители заряда (электроны из n-области и дырки из p-области) получают возможность преодолеть этот барьер и двигаться навстречу друг другу, создавая значительный электрический ток. Сопротивление перехода в этом случае мало.

Обратное включение (смещение): Если к p-области подключить отрицательный полюс, а к n-области — положительный, то внешнее поле совпадёт по направлению с внутренним. Это увеличит ширину обеднённого слоя и высоту потенциального барьера. Движение основных носителей заряда через переход станет практически невозможным. Через переход будет протекать лишь очень малый обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда. Сопротивление перехода в этом случае очень велико.

Таким образом, p-n-переход хорошо проводит ток в одном направлении (при прямом включении) и почти не проводит в обратном, что и является свойством односторонней проводимости.

Ответ: p-n-переход обладает односторонней проводимостью, так как при прямом смещении его сопротивление мало и ток велик, а при обратном смещении сопротивление велико и ток практически отсутствует.

3. Как работает солнечная батарея?

Солнечная батарея (фотоэлемент) — это, по сути, p-n-переход большой площади, который преобразует энергию света в электрическую энергию. Этот процесс основан на фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках.

1. Поглощение света: Когда фотоны света с энергией, достаточной для преодоления ширины запрещённой зоны полупроводника, попадают на p-n-переход, они поглощаются и выбивают электроны с их валентных орбит. В результате образуются пары свободных носителей заряда: электрон и дырка.

2. Разделение зарядов: Внутреннее электрическое поле, существующее в обеднённом слое p-n-перехода, разделяет эти новообразованные пары. Поле «стаскивает» электроны в n-область, а дырки — в p-область.

3. Создание напряжения и тока: Из-за этого разделения n-область приобретает избыточный отрицательный заряд, а p-область — избыточный положительный. Между ними возникает разность потенциалов (напряжение). Если к p- и n-областям подключить внешнюю нагрузку (например, лампочку), то накопленные электроны потекут по внешней цепи от n-области к p-области, создавая электрический ток и совершая работу.

Ответ: Солнечная батарея работает за счёт фотоэлектрического эффекта: свет создаёт в p-n-переходе пары «электрон-дырка», которые разделяются внутренним полем перехода, создавая разность потенциалов и электрический ток во внешней цепи.

4. Как устроен транзистор?

Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, используемый для усиления, генерирования и переключения электрических сигналов. Наиболее распространённым является биполярный транзистор.

Он состоит из трёх слоёв полупроводникового материала с чередующимся типом проводимости. Существует два типа биполярных транзисторов:

• n-p-n: тонкий слой полупроводника p-типа находится между двумя слоями n-типа.

• p-n-p: тонкий слой полупроводника n-типа находится между двумя слоями p-типа.

Эти три области имеют названия и свои функции:

1. Эмиттер (Э) — область с высокой концентрацией основных носителей заряда. Его задача — «эмитировать» (вбрасывать) носители заряда в базу.

2. База (Б) — очень тонкая средняя область с низкой концентрацией носителей. Она управляет потоком носителей от эмиттера к коллектору.

3. Коллектор (К) — самая большая по размеру область. Его задача — «собирать» (коллекционировать) носители заряда, прошедшие через базу.

Таким образом, транзистор можно представить как два p-n-перехода, включённых навстречу друг другу: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой).

Ответ: Транзистор состоит из трёх слоёв полупроводника с чередующимся типом проводимости (n-p-n или p-n-p), которые называются эмиттер, база и коллектор. База является очень тонким управляющим слоем между эмиттером и коллектором.

5. Как транзистор используется для усиления электрических сигналов?

Усилительное свойство транзистора основано на возможности управлять большим током в одной цепи с помощью малого тока в другой. Рассмотрим работу n-p-n транзистора в схеме с общим эмиттером.

1. Рабочий режим: Транзистор вводят в активный режим усиления, подавая смещающие напряжения. Эмиттерный переход (база-эмиттер) открывают прямым смещением, а коллекторный переход (коллектор-база) закрывают обратным смещением.

2. Управляющее действие: На вход (цепь база-эмиттер) подаётся малый усиливаемый сигнал, например, слабый переменный ток $I_Б$. Этот ток вызывает инжекцию электронов из сильно легированного эмиттера в очень тонкую базу.

3. Процесс усиления: Поскольку база очень тонкая, лишь малая часть электронов (около 1%) рекомбинирует в ней, создавая ток базы $I_Б$. Подавляющее большинство электронов (около 99%) «проскакивает» через базу и попадает в область сильного электрического поля обратно смещённого коллекторного перехода. Это поле «подхватывает» электроны и уносит их в коллектор, создавая большой ток коллектора $I_К$.

Таким образом, малый ток базы $I_Б$ управляет значительно большим током коллектора $I_К$. Отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы называется коэффициентом усиления по току: $\beta = \frac{\Delta I_К}{\Delta I_Б}$. Этот коэффициент обычно составляет от десятков до сотен.

Если в цепь коллектора включить резистор нагрузки, то большие изменения тока коллектора создадут на нём большие изменения напряжения. В результате малый входной сигнал напряжения на базе будет преобразован в большой выходной сигнал напряжения на коллекторе, то есть произойдёт усиление сигнала.

Ответ: Транзистор усиливает сигналы за счёт того, что малый ток, подаваемый в цепь базы, управляет значительно большим током в цепи коллектора. Это позволяет получить на выходе сигнал, который по форме повторяет входной, но имеет гораздо большую амплитуду (мощность).