ELEKTRONIKA Vodivost polovodiče

Výukový materiál Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Číslo materiálu: 01_02_32_INOVACE_10

VODIVOST POLOVODIČE Předmět: ELEKTRONIKA Ročník: ME2 Jméno autora: Ing. Miroslav Sámel Škola: SPŠ Hranice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miroslav Sámel Financováno z ESF a státního rozpočtu ČR. Anotace : Materiál objasňuje podstatu vodivosti polovodiče. Popisuje vznik vlastní vodivosti, vodivosti typu N a vodivosti typu P. Klíčová slova: Křemík, germanium, polovodič, vodivost, vlastní, nevlastní typu N, typu P.

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Základní rozdělení látek Atom:  Jádro  Elektronový obal Jádro:  Protony  Neutrony Elektronový obal:  Elektrony Elementární náboj: VODIČE Vnější elektronová slupka obsahuje pouze malý počet elektronů a tyto jsou velmi slabě vázány ve struktuře atomu. Kovy: Zlato, stříbro, měď, hliník, … IZOLANTY Vnější elektronová slupka je plně obsazena. Elektrony jsou velmi pevně vázány ve struktuře atomu. Materiály: Sklo, guma, plasty, keramika, plyny, … POLOVODIČE Chemicky čisté polovodiče mají při nízké teplotě ( ϑ = 0K) velmi malý počet volných elektronů. Přidáním příměsí a zvýšením teploty se mohou stát vodivými. Materiály: Křemík, germanium, slitiny a sloučeniny, …

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Rozdělení látek podle elektrické vodivosti:  vodiče  izolanty  polovodiče Elektrická vodivost látek závisí na vnitřní stavbě atomu a fyzikálních podmínkách prostředí. Rozdělení pevných látek: vodiče, polovodiče, izolanty.  Ve vodiči se všechny valenční elektrony atomů vždy a za všech podmínek účastní vedení elektrického proudu. Vnějšími podmínkami je ovlivňována pouze pohyblivost – a tím i vodivost – počet volných elektronů zůstává vždy stejný.  V izolantech a krystalech polovodičů nejsou volné – valenční – elektrony. Tyto látky za ideálních podmínek (ideální krystalická mřížka, dokonalá čistota a teplota 0° K) nevedou elektrický proud. Rozdíl ve vodivosti vodičů a izolantů je v tom, že u vodičů se zvyšující se teplotou elektrická vodivost klesá, u izolantů stoupá. Izolanty jsou za pokojové teploty nevodivé (počet volných elektronů je nulový), polovodiče jsou však již částečně vodivé. Rozdělení látek na polovodiče a izolanty je pouze kvantitativní.

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Rozdělení látek podle elektrické vodivosti:  vodiče  izolanty  polovodiče Elektrická vodivost látek závisí na vnitřní stavbě atomu a fyzikálních podmínkách prostředí. V krystalické mřížce čtyřmocného křemíku jsou všechny valenční elektrony vázány elektronovými dvojicemi. V mřížce nejsou volné elektrony ani jiné nosiče elektrického náboje – krystal křemíku je elektricky nevodivý. To však platí pouze za ideálních podmínek. Zásahem vnějších vlivů (teplem, zářením) k porušení elektronové vazby, vznikne dvojice nosičů náboje – elektron a díra.

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Dvojice nosičů elektrického náboje:  elektron  díra Elektron se ihned začne pohybovat v krystalové mřížce a po přiložení elektrického pole se účastní vedení elektrického proudu. Na místě uvolněného elektronu vznikne v mřížkové vazbě díra. Podobně jako se v krystalové mřížce pohybuje elektron, může se pohybovat také díra – elektron poměrně snadno přejde do sousedního atomu a na jeho místě vznikne díra, do které přeskočí další elektron atd., a tak se vlastně pohybuje v mřížce jak elektron tak díra.

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Dvojice nosičů elektrického náboje:  elektron  díra Díry se vlivem elektrického pole účastní vedení elektrického proudu, ovšem vzhledem ke kladnému náboji má jejich pohyb opačný směr než pohyb elektronů. Uvolněný elektron se po určitou dobu, tzv. dobu života, pohybuje volně v krystalové mřížce a potom přeskočí do některé díry, tj. rekombinuje. Polovodič těchto vlastností nazýváme vlastní polovodič a jeho vodivost nazýváme vlastní vodivost.

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Nevlastní vodivost polovodiče Vodivost polovodiče:  vlastní  nevlastní Nevlastní vodivost N: donor – příměs pětimocného prvku do čtyřmocné struktury křemíku Podstata nevlastní vodivosti spočívá v přidání příměsí k čistému polovodiči. Vhodnou volbou příměsi lze připravit polovodič s vodivostí převážně elektronovou nebo polovodič s vodivostí převážně děrovou. Do krystalické mřížky čtyřmocného křemíku přidáme atom pětimocného antimonu. Čtyři valenční elektrony antimonu jsou vázány elektronovými dvojicemi, pátý elektron je k atomovému jádru vázán slabě a může být uvolněn poměrně malou energií. Polovodič s elektronovou vodivostí nazýváme polovodič typu N. Příměs z V. skupiny Mendělejevovy tabulky prvků se nazývá donor. Krystal křemíku s příměsí je navenek neutrální, zvětšila se jeho elektrická vodivost. Další donory – fosfor, arzén, bizmut. Si Sb Vodivost typu N

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Nevlastní vodivost polovodiče Vodivost polovodiče:  vlastní  nevlastní Nevlastní vodivost P: akceptor – příměs třímocného prvku do čtyřmocné struktury křemíku Příměs atomu trojmocného prvku do mřížkové struktury křemíku (například india), způsobuje vznik kladného nosiče náboje. Tři valenční elektrony india tvoří elektronové dvojice se třemi sousedními atomy křemíku. Protože atom příměsi zaujímá v mřížce polohu čtyřmocného prvku, „vypůjčuje“ si ke své čtvrté elektronové vazbě elektron z jiného atomu. Tím vzniká díra, která se může volně pohybovat. Navenek je krystal opět neutrální, obsahuje však kladné nosiče náboje. Polovodič s děrovou vodivostí nazýváme polovodič typu P a příměs nazýváme akceptor. Další donory – bór, galium, hliník. Volným elektronům v polovodiči typu N a děrám v polovodiči typu P říkáme majoritní nosiče, děrám ve vrstvě N a elektronům ve vrstvě P říkáme minoritní nosiče. Si In Vodivost typu P

VODIVOST POLOVODIČE 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel Pamatujte si: Zdroje a literatura [1] VOŽENÍLEK, L.; ŘEŠÁTKO, M.. Základy elektrotechniky II. pro 2. ročník SOU elektrotechnických. Praha: SNTL, 1984, ISBN BEZ. [2] BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika I. Praha: INFORMATORIUM, 2002, ISBN Ilustrace:  Vlastní vodivost vzniká náhodně pro praxi nemá význam  Nevlastní vodivost N vzniká přidáním donoru do struktury křemíku  Nevlastní vodivost P vzniká přidáním akceptoru do struktury křemíku