NÁZEV ŠKOLY: S0Š Net Office, spol. s r.o, Orlová Lutyně AUTOR: Ing. Oldřich Vavříček NÁZEV: Podpora výuky v technických oborech TEMA: Základy elektrotechniky ČÍSLO PROJEKTU:CZ.1.07/1.5.00/34.0458

Vlastní a nevlastní vodivost, přechod PN Polovodiče Vlastní a nevlastní vodivost, přechod PN

Základní pojmy Látky se skládají z atomů, které jsou tvořeny kladně nabitým jádrem a obklopeným záporně nabitým elektronovým obalem. Další poznatek, který plyne z kvantově - mechanické teorie atomu, je ten, že elektrony obalu jsou v určitých hladinách, slupkách. Z tohoto modelu víme, že elektrony, které jsou na vnějších hladinách, umožňují vazbu s jinými atomy, se nazývají valenční a rozhodují o vlastnostech dané látky. Pro hodnotu elektrické vodivosti pevných látek je rozhodující, zda elektrony zaplňují valenční a vodivostní pásy. Mezi nimi je zakázaný pás energií, jehož šířka rozhoduje o tom zda látka je izolant, polovodič popřípadě vodič. Velké zakázané pásmo mají izolanty, malé zakázané pásmo mají vodič a u polovodičů lze zakázané pásmo ovlivnit dodáním energie nebo ovlivnit složení polovodiče jeho příměsemi.

Elektronová a děrová vodivost Například atom křemíku má čtyři valenční elektrony, je tedy čtyřmocný, nalezneme jej ve čtvrtém sloupci periodické soustavy prvků. Na obrázku vidíme zjednodušený model atomu křemíku, kde dodáním určitého kvanta energie - zvýšením teploty, vnějším elektrickým polem, osvětlením, dojde k uvolnění elektronu z valenčního pásu do pásu vodivostního - elektron překonal zakázaný pás. Takto uvolněný elektron způsobuje vlastní vodivost polovodiče. Po vytržení elektronu vznikne díra, do které se může dostat další elektron, který způsobí vznik další díry. Z tohoto hlediska mluvíme o tzv. děrové a elektronové vodivosti. "Spadnutím" elektronu do díry nazýváme rekombinace a vytržení elektronu z atomu generace páru.

Nevlastní vodivost polovodičů Vložíme-li do krystalu čtyřmocného prvku atom pětimocný (As - arsen, P - fosfor), vznikne v mřížce jeden volný elektron, protože je nadbytečný. Nemůže již vytvořit vazbu s jiným elektronem. Těmto cizím atomům v říkáme příměsi a volný elektron je nositelem záporného náboje. Naopak vložením prvku , který má ve valenčním pásu tři elektrony (In - indium, B - bór), je tedy trojmocný, bude v krystalové mřížce jeden elektron chybět. Takže vznikne jedna díra, která je nositelem kladného náboje. Příměsi, které dodávají čistému polovodiči elektrony (pětimocné) se nazývají donory a příměsi, které způsobují nedostatek elektronů - dodávají díry (trojmocné), se nazývají akceptory.

Polovodič s přebytkem elektronů způsobí vodivost typu N a polovodič s přebytkem děr má vodivost typu P. Přidáním příměsí do čistého krystalu polovodiče vznikne v něm nevlastní vodivost. Příměsi do mřížky polovodiče se zavádí již při výrobě tzv. monokrystalu. Výsledkem je jejich homogenní rozdělení v celém krystalu. Po nařezání monokrystalu na destičky, získáme základní materiál -  substrát jehož vodivost je známá. Podle požadavku se pak do tohoto substrátu zavádějí další příměsi, za účelem vytvoření určitého počtu vrstev o různé koncentraci. Dosáhne se pak toho, že vlastní polovodičová součástka je tvořena vrstvami, které mají vodivost typu P nebo N.

Přechod PN Spojením polovodičů typu P, který má nadbytek děr a nedostatek elektronů a polovodiče typu N, kde je nadbytek elektronů a nedostatek děr vznikne mezi nimi přechod P - N . Jeho chování pak zásadně ovlivňuje polarita napětí, která je k jeho kontaktům přivedena. Na obrázku je naznačena situace, kdy na část polovodiče typu P je přiveden kladný pól zdroje napětí a na polovodič typu N je přiveden záporný pól zdroje napětí. V části polovodiče P se díry - majoritní částice budou pohybovat směrem k přechodu PN. Ve druhé části polovodiče typu N se elektrony - majoritní částice budou také pohybovat směrem k přechodu PN. Zde pak elektrony a díry rekombinují a tak přechod propouští nosiče náboje - proud a tato polarita napětí se nazývá propustný směr.

V případě, že se polarita napětí změní, pohybují se díry i elektrony opačným směrem a tím dojde ke zvětšení přechodu PN. Tuto polaritu napětí pak nazýváme závěrný směr. Proud je zde reprezentován minoritními částicemi. V části polovodiče typu P - elektrony a díry v části polovodiče typu N. Hodnota tohoto proudu je daleko nižší než v předchozím případě. Kontrolní otázky Jak dělí látky podle vodivosti? Co je vlastní a nevlastní vodivost polovodiče? Co se rozumí pod pojmem donor a akceptor? Jak vznikne přechod polovodiče? Co představují pojmy majoritní a minoritní nosiče nábojů?

ANOTACE Materiál lze použít jako teoretickou přípravu ke kapitole “Polovodiče – základní pojmy, rozdělení látek podle vodivosti, vodivost polovodičů, přechod PN“, kde se žáci seznámí se základními pojmy vodivosti látek a základními typy vodivosti polovodičů. Dále se žáci seznámí se základními principy stavby polovodičů, především s přechodem PN, který je základním prvkem u mnoha polovodičových součástek. Na konci kapitoly jsou uvedeny kontrolní otázky, které si žáci písemně vypracují nebo na ně jednotlivě odpovídají v lavici. Předpokládaný čas 45 min. CITACE JAN KESL. Elektronika I analogová technika. Praha: BEN, 2004. ISBN 80-7300-143-8. VÍT ZÁHLAVA , Jan Vobecký. Elektronika. Praha: Grada. ISBN 8024712415.