Elektrický proud v polovodičích

Elektrická vodivost látek V izolantech (nevodičích) jsou všechny elektrony pevně drženy u svých atomů a nemohou se od nich oddálit. V kovech nejsou některé elektrony drženy vůbec a mohou se volně pohybovat. Polovodiče jsou něco mezi kovy a nevodiči. Elektrony jsou sice drženy u svých atomů, ale některé z nich ne moc pevně. Stačí málo, aby se odtrhly a mohly se po krystalu volně pohybovat. Pak může polovodič vést elektrický proud. To se stane, když polovodič zahřejeme. Při vyšší teplotě se částice v něm pohybují rychleji. Víc elektronů se tím odtrhne od svých atomů. To znamená, že čím vyšší je teplota, tím lépe polovodiče vedou proud.

Co je polovodič? Polovodič má měrný elektrický odpor (rezistivitu) při obvyklých teplotách mnohem menší než izolanty, ale zase mnohem větší než kovy. Kovy .......... r ≈ 10-8 – 10-6 W·m Izolanty ..... r ≈ 1010 W·m Polovodiče .......... r ≈ 10-4 – 108 W·m Důležitější znak: Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné, elektrické nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči.

Příklady polovodičů Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS aj. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní (některá skla). křemík germanium grafit

Čistý polovodič Nejpoužívanějším polovodičem je křemík. Má čtyři valenční (to znamená vnější, vazebné) elektrony. Atomy křemíku se spolu mohou spojit a utvořit krystal. Každý valenční elektron přitom slouží jako „ruka“, za kterou se sousední atomy drží. Při 0 K všechny 4 elektrony ve vazbě (pevná kovalentní). Čím teplejší je křemík, tím roste pravděpodobnost „vytřesení“ elektronu z vazby. Po „vytřesení“ vzniká pár elektron-díra generace vodivého páru Díra vede taky proud (jako mezera ve frontě na oběd se přesouvá) ID Celkový proud I = Ie+ID (elektronový a děrový proud) Dodání energie fotonem (ne ohřátím) je tzv. vnitřní fotoelektrický děj Pokud volný elektron zapadne do díry rekombinace vodivého páru Při dané teplotě počet rekombinací je roven počtu generací

Zahřátý krystal křemíku Krystal vede proud. - - - - - - - - - SS - SS SS Si - Si - - Si - - SS Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - SS SS Si - SS Si - - SS Si - - Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - SS díra - Si - - SS O Si - SS SS - Si - - Si - - - - - - - - - O - elektron - - - - - - - - - - - -

Užití čistých polovodičů Termistor Při vyšší teplotě vzniká více párů elektron – díra, zvyšuje se počet volných nosičů náboje, snižuje se odpor termistoru. Při snížení teploty převažuje opačný proces (rekombinace – „vyplňování“ děr volnými elektrony), odpor se zvyšuje. R polovodič termistor kov T schematická značka Využití: digitální teploměry, regulace teploty

Užití čistých polovodičů Fotorezistor Elektrony a díry vznikají účinkem světelného záření. Čím více je fotorezistor osvětlen, tím menší má odpor. schematická značka fotorezistor Využití: ovládání dveří, zabezpečovací zařízení, expozimetry ve fotoaparátech atd.

Příměsová vodivost Když chceme, aby polovodič vedl proud i za nízké teploty, obohatíme ho o malou příměs jiných atomů Už při koncentraci 1 atom na 108 atomů křemíku vzroste vodivost 1000krát Příměsi máme dvou typů podle toho zda přidávají vodivé elektrony (u polovodiče N) nebo vodivé díry (u polovodiče typu P) I po přidání přímesi je polovodič stále celkově neutrální

„Nečisté“ polovodiče - N Když chceme, aby polovodič vedl proud, i když teplota není vysoká, musíme mu volné elektrony dodat. Volné elektrony můžeme dodat do krystalu křemíku například tak, že k němu přidáme velmi malé množství arsenu. Arsen má 5 valenčních elektronů. Jedno místo v krystalu křemíku obsadíme atomem arsenu. Jeden valenční elektron tam přebývá a volně se může pohybovat po celém krystalu. Krystal pak vede proud. V křemíku znečištěném arsenem je elektrický proud přenášen volnými elektrony. Takové látce říkáme polovodič typu N (elektrony mají záporný - negativní elektrický náboj).

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci).

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci). Čtyři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; pátý je velmi slabě vázán a již při nízkých teplotách se uvolňuje a volně pohybuje krystalem.

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci). Čtyři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; pátý je velmi slabě vázán a již při nízkých teplotách se uvolňuje a volně pohybuje krystalem. V krystalu je daleko více elektronů než děr. Elektrony – většinové (majoritní) nosiče náboje Díry – menšinové (minoritní) nosiče náboje

„Nečisté“ polovodiče - P Do krystalu křemíku přidáme malé množství boru. Bor má jen tři valenční elektrony. Ve vazbě se sousedními atomy bude jeden elektron scházet. V této vazbě je díra. Do díry může „skočit“ elektron ze sousední vazby. Tuto díru zaplní, ale nechá po sobě díru jinde. Díra se stěhuje po celém krystalu. V křemíku znečištěném borem je elektrický proud přenášen děrami. Díry mají jakoby kladný (pozitivní) elektrický náboj. Takové látce se říká polovodič typu P.

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci).

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci). Všechny tři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; jedna vazba zůstane neobsazená – vzniká díra.

Model vodivosti v polovodiči s příměsí Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci). Všechny tři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; jedna vazba zůstane neobsazená – vzniká díra. V krystalu je daleko více děr než elektronů. Díry – většinové (majoritní) nosiče náboje Elektrony – menšinové (minoritní) nosiče náboje

P – N přechod N P Přechod P – N vznikne v místě, kde se tyto dva různé typy polovodičů stýkají. Propouští elektrický proud jen jedním směrem. Toho se využívá v nejdůležitějších polovodičových součástkách – v diodách a tranzistorech.

P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N

P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P.

P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P. Tyto elektrony „vyplní“ díry (rekombinují) a podél spoje se vytvoří tenká vrstva téměř bez volných nosičů náboje – hradlová vrstva.

P – N přechod E Spojení polovodičů typu P a N Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P. Tyto elektrony „vyplní“ díry (rekombinují) a podél spoje se vytvoří tenká vrstva téměř bez volných nosičů náboje – hradlová vrstva. Přebytek elektronů (záporných nábojů) v okrajové části polovodiče typu P a jejich nedostatek na okraji polovodiče typu N vede ke vzniku elektrického pole, které brání pronikání dalších elektronů do hradlové vrstvy.

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem Zapojení v závěrném směru – elektrony jsou přitahovány kladným pólem zdroje, díry jsou „přitahovány“ záporným pólem. Nosiče náboje se tedy ještě více vzdalují od P-N přechodu – hradlová vrstva se zvětšuje.

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem Zapojení v závěrném směru – elektrony jsou přitahovány kladným pólem zdroje, díry jsou „přitahovány“ záporným pólem. Nosiče náboje se tedy ještě více vzdalují od P-N přechodu – hradlová vrstva se zvětšuje. Odpor diody je velmi vysoký, proud obvodem téměř neprochází.

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem Zapojení v propustném směru – elektrony i díry jsou vtlačovány do prostoru P-N přechodu – hradlová vrstva se zmenšuje, při větším napětí zaniká.

Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem Zapojení v propustném směru – elektrony i díry jsou vtlačovány do prostoru P-N přechodu – hradlová vrstva se zmenšuje, při větším napětí zaniká. Nosiče náboje jsou v celém objemu diody, odpor se výrazně snižuje, proud obvodem prochází.

Polovodičová dioda schematická značka Součástka s jedním P-N přechodem diody Využití: usměrňování střídavého proudu (v reálu se používá tzv. Graetzův můstek – veškerá elektronika chce stejnosměrný proud ochrana proti náhodnému přepólování zdroje LEDiody – PN přechod přeměňuje elektrickou energii na světelnou – speciální umí vytvářet i laserové světlo Fotodiody - PN přechod přeměňuje světelnou energii na elektrickou – zapojením velkého množství fotodiod sériově a paralelní vytváří fotovoltaické elektrárny

Graetzův můstek Usměrňuje střídavé napětí

Tranzistor Součástka se dvěma PN přechody (PNP, NPN) Unipolární – rychlé spínání (PC) Bipolární – zesilování proudu (zesilovače) reproduktory https://www.youtube.com/watch?v=K_h7jxrQLQI

Složitější polovodičové součástky Integrované obvody V jednom pouzdře obsahují velké množství vodičů, rezistorů, kondenzátorů, diod a tranzistorů Čipy Monolitický integrovaný obvod Procesory Univerzální integrovaný obvod, který se řídí programem