Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA F16 - ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Mgr. Alexandra Bouchalová Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Pojem polovodiče Vedení elektrického proudu v čistém polovodiči. Vlastní vodivost Příměsové polovodiče Přechod PN, polovodičová dioda Tranzistor Elektrický proud v polovodičích 2

Pojem polovodiče vodič izolant polovodič Elektrický proud v polovodičích 3

Polovodiče jsou pevné látky, jejichž elektrické vlastnosti závisí na vnějších i vnitřních podmínkách: teplota dopadající záření obsah příměsí Si Ge Se Te C PbS CdS GaAs Termistor Fotorezistor Elektrický proud v polovodičích 4

Polovodiče Vyhledejte pomocí vhodných zdrojů (internet, odborná literatura) obrázky termistoru a fotorezistoru a uveďte příklady jejich užití v praxi. Zjisti, kde se v České republice vyrábí polovodičové součástky. Je možné, aby byl teplotní součinitel  elektrického odporu záporný? Jaký by to mělo pro danou látku význam? Najdete příklad? Který z prvků je nejvýznamnější pro výrobu polovodičových součástek? Elektrický proud v polovodičích 5

Elektronové páry tvoří kovalentní vazbu. Vlastní vodivost Elektronové páry tvoří kovalentní vazbu. Ve valenční vrstvě jsou 4 elektrony. V elektronovém obalu je 14 elektronů. Jádro křemíku obsahuje 14 protonů a 14 neutronů. Si Si elektronový pár Elektrický proud v polovodičích 6

Vlastní vodivost Elementární buňka krystalu křemíku elektronový pár Při nízkých teplotách jsou všechny elektrony zapojeny do vazeb a křemík se chová jako izolant. Elektrický proud v polovodičích 7

Čistý polovodič tepelným pohybem, dopadajícím zářením díra Si Si Si Si generace páru elektron-díra Si Si Si Si volný elektron rekombinace Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 8

Vlastní vodivost Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 9

Pohyb díry je jen relativní! Vlastní vodivost I = Id + Ie Id děrový proud Ie elektronový proud Pohyb díry je jen relativní! Elektrický proud v polovodičích 10

Vlastní vodivost vlastní polovodiče Hustota děr = hustota volných elektronů S rostoucí teplotou se rychle zvětšuje Elektrický proud v polovodičích 11

Rezistivita čistého polovodiče s rostoucí teplotou KLESÁ. Vlastní vodivost Rezistivita čistého polovodiče s rostoucí teplotou KLESÁ. Načrtni graf závislosti rezistivity na teplotě u kovů a polovodičů. Elektrický proud v polovodičích 12

Příměsové polovodiče Polovodič typu N Minoritním = menšinovým nosičem náboje je díra Majoritním = většinovým nosičem náboje je elektron Si Si Si Si donor + Si As Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 13

Příměsové polovodiče Polovodič typu P Minoritním = menšinovým nosičem náboje je elektron Majoritním = většinovým nosičem náboje je díra Si Si Si Si akceptor - Si In Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 14

Příměsová vodivost Vyvolaná pomocí třímocné (B, Al, Ga, In) či pětimocné (P, As, Sb) příměsi Celkový náboj volných elektronů a děr je vyrovnán s nábojem nepohyblivých iontů příměsí. Elektrický proud v polovodičích 15

Co se bude dít v příměsovém polovodiči s rostoucí teplotou? Příměsová vodivost Čím je dána hustota volných nosičů náboje v příměsovém polovodiči při nízkých teplotách? Co se bude dít v příměsovém polovodiči s rostoucí teplotou? Proč je tento jev nežádoucí a jak mu můžeme zabránit? Elektrický proud v polovodičích 16

Jaká je hustota atomů v krystalu křemíku, je-li jeho hustota 2 330 ? Příměsová vodivost Jaká je hustota atomů v krystalu křemíku, je-li jeho hustota 2 330 ? Jaká bude hustota donorů v křemíku typu N, připadá-li na 1 atom příměsi 108 atomů křemíku? Elektrický proud v polovodičích 17

Přechod PN - - - Polovodič typu P 1 m Polovodič typu N + + + HRADLOVÁ VRSTVA Elektrický proud v polovodičích 18

A K N P Dioda - - - Polovodič typu P Polovodič typu N + + + Elektrický proud v polovodičích 19

Diodový jev - - - Polovodič typu P Polovodič typu N + + + Elektrický proud v polovodičích 20

Diodový jev - - - Polovodič typu P I Polovodič typu N + + + Elektrický proud v polovodičích 21

Diodový jev - - - Polovodič typu P Polovodič typu N + + + Elektrický proud v polovodičích 22

Diodový jev Dioda v závěrném směru Dioda v propustném směru Elektrický proud v polovodičích 23

Provoz polovodičové diody v závěrném směru v propustném směru + - + - IF [A] UR [V] UBR UT0 UF [V] IR [A] UBR = průrazné napětí UT0 = prahové napětí Elektrický proud v polovodičích 24

VA charakteristika polovodičové diody UR [V] IR [A] UF [V] IF [A] UBR UT0 Elektrický proud v polovodičích 25

jsou zesilovací (aktivní) polovodičové prvky. Tranzistory jsou zesilovací (aktivní) polovodičové prvky. bipolární unipolární na zesilování se podílí oba typy nosičů nábojů (elektrony a díry) na zesilování se podílí pouze jeden typ nosiče Elektrický proud v polovodičích 26

Tranzistor typu NPN C C N kolektor = shromažďovač B B P báze N E emitor = vysílač nábojů E Elektrický proud v polovodičích 27

Tranzistor typu PNP C C P kolektor B B N báze P E emitor PNP E Elektrický proud v polovodičích 28

Princip činnosti tranzistoru typu NPN IC  = IC IB kolektor N proudový zesilovací činitel IB P A báze A R N emitor IE IE = IB + IC Elektrický proud v polovodičích 29

Princip činnosti tranzistoru typu NPN Při daném zapojení je přechod BC v závěrném směru a přechod BE v propustném směru. Obvodem báze (má velmi malý objem a je slabě dotována) začne procházet malý proud IB. Většina elektronů je pak z emitoru přitahována ke kolektoru a jako menšinové nosiče volně prochází přechodem BC. Tyto elektrony tvoří mnohokrát větší proud IC než je proud IB. Elektrický proud v polovodičích 30

NPN tranzistor v zapojení se společným emitorem IB IE IC A A R Obvod báze Kolektorový obvod Elektrický proud v polovodičích 31

Tranzistor jako zesilovací prvek Malá změna proudu báze IB způsobí v tranzistoru velkou změnu proudu kolektoru IC. tranzistor má velké proudové zesílení v bipolárním tranzistoru je kolektorový proud řízen proudem báze k řízení je zapotřebí jen malý výkon Elektrický proud v polovodičích 32

Tranzistor Ukázky tranzistorů 1 Elektrický proud v polovodičích 33

Tranzistor Užití tranzistoru 2 Elektrický proud v polovodičích 34

Tranzistor Elektrický proud v polovodičích 35 Replika prvního tranzistoru 3 Elektrický proud v polovodičích 35

Použitá literatura Literatura Obrázky Elektrický proud v polovodičích LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196- 202-3 TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1 HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, 2000. ISBN 80-214-1868-0 Obrázky [1] VTM [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://vtm.e15.cz/files/imagecache/dust_filerenderer_ normal/upload/aktuality/tranzistor_jpg_4b8cd07e1a.jpg [2] TechNet.cz [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/foto.aspx?r=sw_internet&foto1=PKA1fc043_Replica_of_first_transistor.jpg [3] SPŠ Mohelnice [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/obrazky/ tranzistory.png Elektrický proud v polovodičích

na gymnáziu Komenského v Havířově“ soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.