2.03. Полупроводники.md

В этом параграфе вы узнаете, что такое полупроводники и почему они лежат в основе абсолютно всех современных технологий — от компьютеров и смартфонов до автомобилей и космических кораблей. Вы разберётесь, чем полупроводники отличаются от проводников и изоляторов, и познакомитесь с ключевыми компонентами на их основе: диодами, транзисторами и семисегментными индикаторами. Эти знания помогут вам собирать умные устройства на макетной плате, например, цифровые часы или систему охлаждения.

Проводники, изоляторы и полупроводники

Чтобы понять уникальность полупроводников, для начала разберёмся с другими материалами.

Проводники. Материалы, которые легко пропускают электрический ток. Лучшие примеры: медь и алюминий. В них электроны могут свободно перемещаться, создавая поток энергии. Пример: Соединительные провода в вашем наборе сделаны из меди.
Изоляторы (диэлектрики). Материалы, которые практически не пропускают ток. Лучшие примеры: резина, стекло, пластик. В них электроны «крепко сидят на своих местах». Пример: Резиновая изоляция на проводах защищает вас от удара током и предотвращает короткое замыкание.
Полупроводники. Это материалы, которые занимают промежуточное положение. В чистом виде они плохо проводят ток, но их проводимостью можно управлять.

Главный полупроводник в современной электронике — это кремний (Si). Добавляя в него крошечные примеси других элементов, инженеры научились создавать компоненты с удивительными свойствами.

Именно эта управляемость и делает полупроводники основой всей цифровой техники.

Полупроводниковые компоненты

На макетной плате вы будете постоянно использовать компоненты, созданные на основе полупроводников. Рассмотрим самые важные.

Диод. Простейший полупроводниковый компонент, который работает как односторонний клапан для тока - пропускает его только в одном направлении и блокирует в обратном. Это свойство используется для защиты схем от неправильного подключения.
Транзистор. Это, без преувеличения, главный компонент электроники. Транзистор — это электронный ключ, управляемый слабым сигналом. Подавая небольшой ток или напряжение на один его вывод, можно управлять гораздо большим током, протекающим через два других вывода.
- Биполярный транзистор. Управляется силой тока. Небольшой ток на вывод «база» (B) открывает путь для большого тока между «коллектором» (C) и «эмиттером» (E).
- Полевой транзистор (MOSFET). Управляется напряжением. Напряжение на выводе «затвор» (G) создаёт электрическое поле, которое открывает или закрывает канал для тока между «истоком» (S) и «стоком» (D). MOSFET — основа всех современных процессоров.
Семисегментный индикатор. Это устройство для отображения цифр, которое состоит из семи светодиодов (сегментов), расположенных в форме восьмёрки. Включая нужные сегменты, можно отобразить любую цифру от 0 до 9.
Интегральная схема (микросхема). Это целый электронный узел, содержащий тысячи или даже миллионы транзисторов, резисторов и диодов, размещённых на одном кристалле кремния. Например, счётчик, который упрощает управление семисегментным индикатором, — это простая интегральная схема.
Вентилятор. Устройство с электродвигателем для охлаждения компонентов. Поскольку мотор потребляет большой ток, его нельзя подключать к микроконтроллеру напрямую. Для управления им используется транзистор, который работает как мощный ключ.

Зачем это нужно?

Полупроводники делают электронику умной и компактной. С помощью диодов вы сможете защищать свои схемы, с транзисторами — управлять мощными устройствами, такими как моторы и лампы, а с семисегментными индикаторами — отображать информацию.

Вы познакомились с миром полупроводников и их ключевыми представителями. Если вы хотите сразу перейти к практике, отправляйтесь к лабораторным работам, чтобы научиться управлять мощной нагрузкой с помощью транзистора. Если же вы готовы объединить знания по электронике с программированием, переходите к следующей главе, где мы начнём изучать язык C++.