Когда свет управляет током: полупроводники
В повседневной жизни все вещества и материалы принято делить на две большие группы: проводники – те, что способны проводить электрический ток, и диэлектрики – те, что электрический ток не проводят. Ярким представителем первой группы являются металлы, во второй группе можно выделить воздух, стекло, пластмассу, сухую древесину.
Физики решили подойти к этой классификации более философски: нельзя делить мир на черное и белое, во всем должны быть полутона! Возможно, именно так рассуждал Майкл Фарадей в 1833 году, когда заметил, что проводимость сульфида серебра при нагреве увеличивается, а металлов – уменьшается. Проанализировав увиденное, Фарадей пришел к выводу: одно вещество может вести себя и как проводник, и как диэлектрик. В течение следующих пяти лет подобные свойства будут обнаружены еще у 5 элементов, которые позднее назовут полупроводниками.
Полупроводники – это материалы, которые способны проводить или, наоборот, блокировать прохождение электрического тока при определённых условиях. Самыми распространенными полупроводниковыми материалами являются кремний Si (его содержание в земной коре достигает 30 %) и германий Ge (чаще всего извлекается как побочный продукт при добыче и переработке цинка).
В основе работы полупроводников лежит движение носителей заряда – электронов и вакантных мест в кристаллической решетке, называемых «дыркой». Выделяют два основных типа полупроводников:
n-тип – содержит примеси (например, мышьяк As), которые создают избыток свободных электронов
p-тип – включает примеси (к примеру, индий In), образующие «дырки», то есть носители положительного заряда.
Для перехода электронов в зону проводимости требуется дополнительная энергия. Электрический ток в полупроводниках управляется не только напряжением, но и внешними факторами – давлением, температурой и светом. Такая особенность делает полупроводниковые элементы незаменимыми в различных электронных устройствах.
Открытие фотоэффекта – явления, при котором свет выбивает электроны из атомов полупроводника и создает электрический ток – стало революционным для науки и техники. Процесс появления электрического тока можно сравнить с получением загара на пляже в жаркий солнечный день: свет падает на поверхность полупроводника, фотоны передают энергию электронам, электроны освобождаются от атомов и создают упорядоченное движение. Благодаря фотоэффекту появились фоторезисторы, фотодиоды и солнечные батареи.
Сегодня полупроводники используются практически во всех электронных устройствах. Микропроцессоры применяются в компьютерах, телекоммуникациях, медицинских устройствах, транспортной отрасли и многих других. Светодиодные лампы, светильники и ленты способны освещают не только квартиры, но и архитектурные объекты, улицы, тоннели, мосты. Транзисторы усиливают и переключают электронные сигналы; тиристоры незаменимы там, где требуется управление мощными электрическими нагрузками. А еще существуют выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, варисторы…
Широкий спектр применения полупроводниковых приборов неразрывно связан с их пожарной опасностью. В случае возникновения короткого замыкания создается переходное сопротивление, сопровождающееся выделением значительной мощности. При аварийном режиме работы полупроводниковые устройства могут стать источниками зажигания за счет нагрева поверхности корпуса из керамического материала и возникновения открытого пламени на поверхности корпуса из полимерных материалов.
Подведем итог: полупроводники – уникальные материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их удивительные свойства сделали возможным создание современной электроники, без которой представить нашу жизнь крайне сложно. Сегодня полупроводники открывают новые горизонты для научных исследований и технических разработок, а устройства на их основе становятся мощнее, компактнее и эффективнее.
