ELEKTROTECHNOLOGIE TECHNICKY VYUŽÍVANÉ JEVY V POLOVODIČÍCH

USMĚRŇOVACÍ JEV PROJEVUJE SE NA tzv.PŘECHODU P N TEN VZNIKÁ SPOJENÍM POLOVODIČE P a N VHODNÝM TECHNOLOGICKÝM POSTUPEM PŘECHOD PN JE ZÁKLADNÍM PRVKEM PŘEVÁŽNÉ VĚTŠINY POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK SPRÁVNÉ POCHOPENÍ JEHO FUNKCE UMOŽNÍ POCHOPIT FUNKCI A CHOVÁNÍ SOUČÁSTEK S PŘECHODY PN ( diody, tranzistory, spínací součástky, integrované obvody na jejich bázi) SOUČÁSTKA – DIODA S ELEKTRODAMI ANODA /A - P) A KATODA (K - N)

PŘECHOD P N SCHÉMA USPOŘÁDÁNÍ J Ed P l N DÍRA (cca 1  m) ELEKTRON I – VYPRÁZDNĚNÁ OBLAST Ed – DIFUZNÍ ELEKTRICKÉ POLE P – DÍRA = MAJOROTNÍ NOSIČ – ELEKTRON = MINORITNÍ NOSIČ N – ELEKTRON = MAJORITNÍ NOSIČ DÍRA = MINORITNÍ NOSIČ PO SPOJENÍ POLOVODIČE PaN DOJDE K DIFUZI VOLNÝCH NOSIČŮ NÁBOJE A VZNIKNE VYPRÁZDNĚNÁ OBLAST BEZ VOLNÝCH NOSIČŮ NÁBOJE (izolant, dielektrikum) V OBLASTI PŮSOBÍ DIFUZNÍ ELEKTRICKÉ POLE ( jeho velikost závisí na polovodiči, Ge cca 0,2- 0,3V, Si 0,5-0,6V, GaAs 1,2V) PN

VNĚJŠÍ ELEKTRICKÉ POLE A) SOUHLASNÉ S DIFUZNÍM POLEM Ed P Ed N - + Ev PŮSOBÍ-LI VNĚJŠÍ POLE SOUHLASNĚ S DIFUZNÍM, JSOU NOSIČE NÁBOJE ELEKTROSTATICKOU SILOU PŘITAHOVÁNY K OPAČNÉMU PÓLU (elektrony k +, díry k - ) DŮSLEDKEM JE ROZŠÍŘENÍ VYPRÁZDNĚNÉ OBLASTI PŘECHODEM PN PROCHÁZEJÍ POUZE MINORITNÍ NOSIČE NÁBOJE, REKOMBINUJÍ NA PŘECHODU A VYTVÁŘEJÍ ZANEDBATELNÝ, tzv. ZÁVĚRNÝ PROUD R

B) PŮSOBÍCÍ PROTI DIFUZNÍMU POLI (menší než Ed) P Ed N + - Ev PŮSOBÍ-LI VNĚJŠÍ POLE (menší než Ed) PROTI DIFUZNÍMU, VLIVEM ELEKTROSTATICKÝCH SIL SE POSOUVÁ ROZHRANÍ VYPRÁZDNĚNÉ OBLASTI KE STŘEDU PŘECHODU PN A OBLAST SE ZMENŠUJE NETEČE ŽÁDNÝ PROUD, PROTOŽE MINORITNÍ NOSIČE NEJSOU PŘES PŘECHOD PŘITAHOVÁNY A PRO MAJORITNÍ STÁLE PŮSOBÍ VYPRÁZDNĚNÁ OBLAST

C) PŮSOBÍCÍ PROTI DIFUZNÍMU POLI (větší než Ed) Ed P N + - Ev PŮSOBÍ-LI VNĚJŠÍ POLE (větší než Ed) PROTI DIFUZNÍMU, VLIVEM ELEKTROSTATICKÝCH SIL VYPRÁZDNĚNÁ OBLAST ZANIKÁ NA PŘECHODU PN REKOMBINUJÍ MAJORITNÍ NOSIČE NÁBOJE A PŘECHODEM PN TEČE VELKÝ, tzv. PROPUSTNÝ PROUD PROPUSTNÝ PROUD JE ŘÁDOVĚ 10 e6 – 10 e9 KRÁT VĚTŠÍ, NEŽ PROUD ZÁVĚRNÝ !!! PŘI PŮSOBENÍ STŘÍDAVÉHO POLE TEČE PROUD POUZE JEDNÍM SMĚREM

TRANZISTOROVÝ JEV VZNIKÁ VE STRUKTUŘE DVOU PN PŘECHODŮ SE SPOLEČNOU VRSTVOU POLOVODIČE – BÁZÍ, SOUČÁSTKA - TRANZISTOR S ELEKTRODAMI EMITOR(E) – BÁZE(B) – KOLEKTOR(K,C) PODLE STRUKTURY SE ROZLIŠUJÍ TRANZISTORY NPN NEBO PNP, OBECNĚ JE FUNKCE STEJNÁ PRO VZNIK JEVU JSOU NUTNÉ TŘI PODMÍNKY: = přechod emitor – báze polarizovaný v propustném směru = přechod báze – kolektor polarizovaný v závěrném směru = mezi kolektorem a emitorem musí být dostatečné napětí

TRANZISTOR NPN E (N) J1 B (P) J2 K (N) Ube Ucb Elektrony jako majoritní nosiče náboje v emitoru procházejí otevřeným přechodem E-B do báze Část jich v bázi rekombinuje s dírami- majoritními nosiči v bázi a vytvoří tak malý proud přechodem E-B – proud báze Ib Převážná část elektronů, které nerekombinují, projde jako minoritní nosiče zavřeným přechodem z báze do kolektoru, kterým pak teče velký kolektorový proud Ic Ib IcIe R

TRANZISTOR PNP E (P) J1 B (N) J2 K (P) Ube Ucb Díry jako majoritní nosiče náboje v emitoru procházejí otevřeným přechodem E-B do báze Část jich v bázi rekombinuje s elektrony- majoritními nosiči v bázi a vytvoří tak malý proud přechodem E-B – proud báze Ib Převážná část děr, které nerekombinují, projde jako minoritní nosiče zavřeným přechodem z báze do kolektoru, kterým pak teče velký kolektorový proud Ic Ib IcIe R

OBECNĚ PLATÍ JSOU-LI SPLNĚNY PODMÍNKY PRO VZNIK TRANZISTOROVÉHO JEVU, PAK MAJORITNÍ NOSIČE NÁBOJE Z EMITORU PROJDOU OTEVŘENÝM PŘECHODEM E-B DO BÁZE TAM JICH MALÁ ČÁST REKOMBINUJE S MAJORITNÍMI NOSIČI NÁBOJE BÁZE ( velmi tenká báze – méně než 1% nosičů), PŘITOM TEČE MALÝ PROUD BÁZE OSTATNÍ PŘEDSTAVUJÍ V BÁZI NOSIČE MINORITNÍ, KTERÉ MOHOU PROJÍT ZAVŘENÝM PŘECHODEM B-K DO KOLEKTORU, KTERÝM TAK TEČE VELKÝ PROUD PLATÍ: _ Ic + Ib = Ie, Ube + Ucb = UceIc/Ib =   – proudový zesilovací činitel TRANZISTOR MŮŽE ZESILOVAT (proud, napětí i výkon)

DALŠÍ DŮLEŽITÉ JEVY 1. LAVINOVÝ A ZENERŮV JEV = příbuzné jevy na přechodu PN, které souvisejí s nárazovou ionizací atomů polovodičů dostatečně silným elektrickým polem při polarizaci přechodu v závěrném směru - je-li přechod PN dostatečně tenký a napětí v závěrném směru dosáhne dostatečné velikosti, lavinovitě se zvětší počet nosičů náboje jejich narážením do neionizovaných atomů - od určitého napětí v závěrném směru začne téct v závěrném směru proud a přitom se napětí mění jen velmi málo VYUŽITÍ - PŘEDEVŠÍM STABILIZAČNÍ DIODY – STABILIZACE NAPĚTÍ

2. FOTOELEKTRICKÉ JEVY = jevy, které nastávají ozářením (osvětlením) polovodiče - vnější fotoelektrický jev – emise elektronů z povrchu polovodiče v důsledku pohlcení dostatečně velké zářivé (světelné) energie - vnitřní fotoelektrický jev – zvětšení počtu volných nosičů náboje uvnitř polovodiče energií záření (světla) OBA JEVY ZÁVISÍ NA VLNOVÉ DÉLCE A INTENZITĚ ZÁŘENÍ VYUŽITÍ: = VNĚJŠÍ – fotokatody = VNITŘNÍ – fotorezistory, fotodiody, fotočlánky …

3. TERMOELEKTRICKÉ JEVY = v praxi se využívají dva ze tří známých - Seebeckův jev – mezi dvěma místy polovodiče s rozdílnou teplotou vzniká elektrické napětí jako důsledek difůze volných nosičů náboje z teplejšího do chladnějšího místa VYUŽITÍ: = polovodičové termočlánky - Peltierův jev – pohlcování nebo uvolňování tepla na spoji dvou různých polovodičů, kterými prochází proud VYUŽITÍ: = přeměna elektrické energie na tepelnoua naopak - polovodičové termostaty, chladničky, termoelektrické generátory N - +

4. JEVY PROJEVUJÍCÍ SE V MAGNETICKÉM POLI = v praxi se projevují změnou rezistivity nebo elektrickým napětím - magnetorezistenční jev - projevuje se u polovodičů s velmi rychlým pohybem nosičů náboje prodloužením dráhy pohybu elektronů působením magnetického pole na náboj elektronu – změna rezistivity (Corbinův disk – magnetorezistor) - Hallův jev – při průchodu proudu destičkou polovodiče v magnetickém poli vzniká příčné napětí (Hallův článek) = UH ~ B * I, Hallův článek se využívá pro měření B nebo bezkontaktní měření elektrického proudu I B=0B>0 II B BB=0B>0 U H =0U H >0

5. DALŠÍ TECHNICKY VYUŽITELNÉ JEVY = Gunnův jev- vznik záporného elektrického odporu při působení silného elektrického pole ( materiál – Ga-As) - využití jako Gunnova dioda pro generování signálu vlnových délek řádově cm a mm (mikrovlnné generátory) = tunelový jev – úzkým přechodem PN (méně než 15nm) může při malé hodnotě Ed procházet proud při malém napětí na přechodu (materiál Ga-As, Ge) - využití jako tunelová dioda – zvláštní průběh VAch, zesilovače a oscilátory pro mikrovlnnou techniku = paměťový jev – změna odporu amorfního polovodiče (4-7řádů) po překročení určitého napětí (amorfní polovodič) = přepínací jev – podobně jako u napěťového, ale při poklesu napětí na určitou hodnotu se odpor opět výrazně zvětší