Полупроводниковые приборы и их применение

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 

 

 
 

Э.С. Астапенко, А.Н. Деренок 

 
 
 
 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ  
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2021 

 

УДК 621.382.2/.3
ББК 32.853.1

А91
 
Астапенко, Э.С. 

Полупроводниковые приборы и их применение : 
учебное пособие / Э.С. Астапенко, А.Н. Деренок. – Томск : 
Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2021. – 64 с. – Текст : 
непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-976-5 

 

Учебное пособие дает представление о применяемых полупроводниковых 
материалах и электрических процессах, происходящих 
в них, основных полупроводниковых приборах промышленной электроники 
и электрических схемах, в которых они применяются. 

Пособие предназначено для бакалавров и специалистов направлений 
подготовки «Строительство» и «Наземные транспортно-технологические 
комплексы». Пособие по дисциплине «Полупроводниковые 
приборы и их применение» предназначено для студентов всех 
форм обучения. 
 

УДК 621.382.2/.3
ББК 32.853.1

 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент отделения контроля и диагностики 
инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности 
НИ ТПУ М.Э. Гусельников; 
канд. техн. наук, доцент кафедры автомобильного транспорта 
и электротехники ТГАСУ Р.Н. Кахиев. 

 
 

ISBN 978-5-93057-976-5
© Томский государственный

архитектурно-строительный 
университет, 2021

© Астапенко Э.С.,

Деренок А.Н., 2021

А91

ВВЕДЕНИЕ 

Полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, стабилитроны, 
транзисторы и т. д.) благодаря малым габаритам 
и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой 
надежности и долговечности широко применяются в различной 
аппаратуре промышленной электроники. В настоящее 
время практически вся бытовая техника, включая телевизоры, 
приемники, телефоны, компьютеры и др., работает на полупроводниковых 
приборах и микросхемах. Достаточно хорошо 
оснащены различными устройствами, работающими на полупроводниках, 
строительные, дорожные машины и грузоподъемная 
техника. 

Специалисты, занимающиеся эксплуатацией, обслуживанием 
и ремонтом оборудования таких механизмов, должны быть 
знакомы не только с основами электропривода и электрооборудованием, 
но также изучить курс «Полупроводниковые приборы 
и их применение». 

В учебном пособии рассматриваются вопросы использования 
полупроводниковых материалов в создании диодов, стабилитронов, 
тиристоров, транзисторов и оптоэлектронных приборов. 
Рассмотрены электрические характеристики этих приборов 
и способы применения их в электрических схемах. 

Пособие предназначено для студентов неэлектрических 
специальностей, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 
и специалистов «Строительство» и «Наземные транспортно-
технологические комплексы», учебные планы которых 
содержат дисциплины «Электротехника и электроника». 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ 

В электротехнике широко применяются два вида материалов. 
Первую группу образуют проводники, которые обладают 
высокой удельной проводимостью (т. е. низким сопротивлением). 
Основными электротехническими материалами являются 
медь, алюминий, латунь, бронза. Хорошие проводящие свойства 
проводников обусловлены наличием в металлах большого количества 
свободных электронов, за счет которых и протекает ток. 
Вторую группу образуют диэлектрики, которые обладают весьма 
низкой удельной проводимостью и являются изоляторами. 
В этих материалах практически полностью отсутствуют свободные 
электроны. Класс этих материалов весьма обширен. Это 
стекло, керамика, текстолит, полиэтилен, пропитанные связующим 
ткани, бумага, дерево и т. д. 

Вещества, удельная проводимость которых занимает промежуточное 
значение между удельными проводимостями диэлектриков 
и металлов, называются полупроводниками. Полупроводник 
ведет себя как плохой диэлектрик и как плохой проводник. 

Основными полупроводниковыми материалами являются 
германий – Germanium (Ge) и кремний – Silizium (Si). Элемент 
германий был открыт в 1886 г. Чистый твердый германий получают 
из порошка двуокиси германия, который, в свою очередь, 
получают из золы некоторых сортов угля. 

Чистый кремний получают химическим путем из двуокиси 
кремния, которой много в песке и кварце. Кремний был открыт 
в 1823 г. и является самым распространенным полупроводниковым 
материалом. 

В полупроводниковой электронике используют главным 
образом кристаллические полупроводниковые материалы. Большинство 
из них имеют кристаллическую структуру, характерную 
для структуры алмаза. Чистые полупроводники используются 
редко. Основные технологические процессы создания полупроводниковых 
приборов связаны с добавлением примесей в чистые 

материалы. Без этих примесей не было бы многих полупроводниковых 
приборов. 

Процесс добавления примесей в полупроводниковые материалы 
называется легированием. В качестве легирующих материалов 
используются мышьяк – Arsenicum (As), сурьма – Anti-
moni (Sb), индий – Indium (In) и галлий – Gallium (Ga). 

 
 
1.1. Электропроводность полупроводников 

Рассмотрим, за счет чего может протекать электрический 
ток в полупроводнике, например, в кремнии. В состав его атома 
входит 14 электронов. Четыре из них находятся на внешней 
оболочке и слабо связаны с атомом. Эти внешние электроны 
называются валентными, а кремний в целом четырехвалентен. 
Атомы кремния объединяют валентные электроны с другими 
атомами кремния, эта связь называется ковалентной. Ковалентные 
связи объединяют различные атомы, что приводит к образованию 
кристалла. 

Из-за тепловых колебаний кристаллической решетки некоторые 
валентные связи рвутся. При этом некоторые электроны, 
участвующие в валентных связях, отделяются и становятся свободными 
электронами проводимости. Если к полупроводнику 
будет приложено электрическое поле, то электроны будут перемещаться 
против поля и создавать электрический ток. Таким образом, 
в рассматриваемом случае прохождение тока через кристалл 
обеспечивается электронами. Такая электропроводность 
кристалла называется электронной. 

Однако при освобождении электрона в кристаллической 
решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие места 
в электронных связях получили названия «дырок» (не смущайтесь – 
это технический термин). Появившиеся дырки в кристалле 
создают дополнительную возможность для перемещения 
электронов. В самом деле, дырка может быть заполнена элек-

троном от соседнего атома. В итоге на этом месте будет восстановлена 
нормальная ковалентная связь, но зато в другом месте 
появится дырка. И, как в эстафете, в эту новую дырку может перейти 
электрон из другой связи и т. д. 

Эстафетное заполнение свободной связи электронами эквивалентно 
движению дырки в направлении, противоположном 
движению электронов. Дырки ведут себя как положительные заряды. 
Электрический ток, обусловленный движением дырок, 
называется дырочной проводимостью. Таким образом, при наличии 
внешнего электрического поля электроны перемещаются 
против поля, а дырки − в направлении поля. И в полупроводнике 
мы имеем два типа носителей тока – электроны и дырки. 

Наряду с переходами электронов из ковалентного состояния 
в свободное существуют обратные процессы, при которых 
электрон занимает место свободной (вакантной) связи. Этот 
процесс называется рекомбинацией электрона и дырки. В обычном 
состоянии устанавливается равновесное состояние между 
числом обратных и прямых переходов электронов в единицу 
времени, и суммарное количество электронов и дырок в полупроводнике 
одинаково. 

 
 
1.2. Понятие о полупроводниках p-типа и n-типа 

Еще раз напомним, что в чистом полупроводнике имеется 
примерно равное небольшое количество свободных электронов 
и дырок, и он может проводить очень маленький ток. Для увеличения 
проводимости чистых материалов применяют легирование – 
это добавление примесей в полупроводниковые материалы. 

Примеси первого типа – пятивалентные – имеют на внешней 
орбите атома пять валентных электронов, например, мышьяк 
и сурьма. При легировании этими элементами в чистом полупроводниковом 
материале некоторые атомы полупроводника 
замещаются атомами мышьяка. Пятивалентный атом мышьяка 

ковалентно связывает свои четыре электрона с четырехвалент-
ным атомом кремния, а его пятый электрон становится свободным. 
В таком легированном материале свободных электронов 
для поддержания тока становится гораздо больше, чем дырок. 
Электрический ток протекает за счет электронов, электрон 
называется основным носителем, а полупроводниковый материал 
обладает электронной проводимостью и называется полупроводником 
n-типа (negative – отрицательный) 

Когда полупроводниковый материал легирован трехва-
лентными атомами примеси (например, индием), то эти атомы 
образуют три ковалентные связи с тремя атомами соседних атомов 
основного полупроводника. Это создает валентную связь-
дырку. Так как дырки легко принимают электроны, то движение 
электронов от дырки к дырке эквивалентно движению положительно 
заряженных дырок. В таких материалах положительно 
заряженные дырки являются основным носителем. Электрический 
ток протекает за счет дырок, материал обладает дырочной 
проводимостью и называется полупроводником p-типа (positi-
ve – положительный). 

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют более 
высокую проводимость, чем чистые полупроводники. 

 
 
1.3. Свойства p-n-перехода 

Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален, 
количество положительных и отрицательных зарядов в них 
примерно равны. Изолированный кристалл p-типа также электрически 
нейтрален. 

Приведем кристаллы р- и п-типов в плотное соприкосновение 
и рассмотрим процессы на границе раздела. 

Контакт двух полупроводников с различной проводимостью 
называется p-n-переходом, и он обладает замечательным 
свойством: его электрическое сопротивление зависит от направ-

ления протекания тока через этот переход. Причем этот контакт 
создается не путем механического соединения двух полупроводников. 
Соединения должны происходить на атомарном уровне. 
Технология получения p-n-переходов будет рассмотрено далее. 

Итак, в кристаллическом полупроводнике на границе двух 
слоев с различной проводимостью образуется p- n-переход. На 
переходе значительно отличаются концентрации носителей зарядов. 
Концентрация электронов в n-полупроводнике значительно 
выше, чем их концентрация в p-полупроводнике. 

На рис. 1.1 кружками изображены ионы, а знаками «+» 
и «–» свободные носители заряда (электроны и дырки). 

 

 

 
Рис. 1.1. Состояние p-n-перехода полупроводникового диода: 

а – при отсутствии внешнего источника тока; б – при подключении 
внешнего источника тока в обратной полярности; в – при подключении 
внешнего источника тока в прямой полярности 

Естественно, электроны диффундируют из области их высокой 
концентрации в область низкой концентрации (в p-область). 
Здесь они рекомбинируют с дырками и создают пространственный 
отрицательный заряд ионизированных атомов. 

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. 
Здесь создается не скомпенсированный электронами положительный 
заряд ионов. Таким образом, на границе контакта полупроводников 
p-n создается двойной слой пространственного заряда. 
Состояние p-n-перехода при отсутствии внешнего источника 
тока показано на рис. 1.1, а. 

Между двумя разноименно заряженными слоями возникает 
разность потенциалов – потенциальный барьер – электрическое 
поле EП, которое препятствует дальнейшей диффузии 
дырок и электронов из одной области в другую. Тонкий пограничный 
слой, обладающий большим сопротивлением, называется 
запирающим слоем или p-n- переходом. Электрическое 
поле p-n-перехода Eп препятствует дальнейшей диффузии 
электронов и дырок. 

Если к p-n-переходу подключить внешний источник тока 
в полярности, представленной на рис. 1.1, б (она называется обратной 
полярностью), это приведет к появлению внешнего поля 
Е, совпадающего по направлению с полем перехода Eп. В результате 
ширина запирающего слоя p-n-перехода увеличится, 
и тока в цепи практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный 
ток, который называют обратным (Iобр). 

При включении приложенного к p-n-переходу напряжения 
прямой полярности направление внешнего поля E противоположно 
полю перехода Eп (рис. 1.1, в). Ширина запирающего слоя 
p-n-перехода уменьшится и создается прямой ток Iпр, который 
будет значительным даже при небольшом напряжении источника 
питания. Таким образом, p-n-переход обладает односторон-
ней проводимостью. 

 

Вопросы для самопроверки 

1. Какие основные материалы используются в полупроводниковой 
электронике? 

2. Что такое легирование? 
3. За счет каких носителей заряда может протекать ток 
в полупроводниках? 

4. Какими свойствами обладают полупроводники n-типа 
и p-типа? 

5. Назовите главное свойство p-n-перехода.