Vedení elektrického proudu v látkách I Mgr. Andrea Cahelová Hlučín 2013

Polovodiče Látky, které za určitých podmínek vedou dobře elektrický proud Osvětlení – fotorezistor Teplota – termistor Mohou být vlastní nebo nevlastní (N, P) Jejich měrný elektrický odpor se pohybuje v rozsahu od 10-6 do 108

Vlastní vodivost Krystal křemíku, Má 4 valenční elektrony – kovalentní vazba, Dodáním energie (v eV) dochází ke vzniku páru elektron-díra, zánik páru = rekombinace, Elektrický proud = Iděrový + Ielektronový. Závislost odporu polovodiče na teplotě: R/Ω t/ ⁰C

Příměsové polovodiče a) polovodič typu A (negativní) Vznikne přidáním prvku z páté skupiny MT (P, As, Sb) do krystalu křemíku. Z pěti valenčních elektronů např. fosforu se čtyři uplatní v kovalentní vazbě s atomy křemíku. Páté elektrony jsou vázány jen slabě a už při nízkých teplotách se volně pohybují krystalem. Z příměsí se stávají nepohyblivé kationty – donory (dárce). V krystalu převažují volné elektrony – většinové nosiče (majoritní), díry – menšinové (minoritní).

b) polovodič typu P (pozitivní) Do krystalu křemíku přidáme prvky z třetí skupiny MT (B, Al, In). Tři valenční elektrony se uplatní v kovalentní vazbě. Vznikne díra s kladným nábojem, do které snadno přeskočí elektron sousedního atomu. Příměsi – nepohyblivé anionty – akceptory (příjemce). Díry jsou v tomto typu polovodiče většinoví nosiči, volné elektrony menšinoví. … příměsová vodivost polovodičů.

Úkol: Najděte na internetu využití polovodičových součástek Vysvětlení pojmů: dioda, fotočlánek, tranzistor, relé, integrovaný obvod

Polovodičová dioda Elektrotechnická součástka s jedním přechodem PN se dvěma vývody. Anoda je polovodič typu P, katoda typu N. Vodivost závisí na směru napětí. Diodový jev: Zapojení diody: a) v propustném směru b) v závěrném směru. anoda katoda

– obvodem prochází proud, žárovka svítí. V závěrném směru: + + V propustném směru: – obvodem prochází proud, žárovka svítí. V závěrném směru: – obvodem prochází nepatrný proud, který nelze ani změřit, žárovka nesvítí.

PN přechod P hradlová vrstva (1m) donor N +d + - -e akceptor Volné elektrony a díry konají neuspořádaný pohyb a v oblasti hradlové vrstvy rekombinací zanikají. V hradlové vrstvě vznikne vlivem akceptorů a donorů elektrické pole s intenzitou, která směřuje z oblasti N do P. Zapojením diody v propustném směru je hradlová vrstva potlačena vzniklým elektrickým polem ve vodiči. V závěrném směru se hradlová vrstva zvětší.

Voltampérová charakteristika diody IFM – maximální hodnota proudu, kterou udává výrobce, při překročení dojde poškození diody. UBR – průrazné napětí, při jeho překročení může dojít k prudkému růstu proudu a ke zničení diody. IFM propustný směr UBR U V závěrný směr

Využití diody: Usměrňovač střídavého proudu. Ke stabilizaci obvodu. LED diody (luminiscenční) – vznik viditelného nebo infračerveného záření. Fotodiody – zdroj elektrického napětí, sluneční články.

Tranzistor Polovodičová součástka se dvěma přechody PN a třemi vývody. Může být typu PNP nebo NPN (NPN šipka ven). kolektor C báze B emitor E C B PNP E

Tranzistorový jev Při zapojení dochází v kolektorovém obvodu k zesílení proudu – zesilovač. Využití tranzistoru: Zesilovač Přepínač, nahrazuje relé Rozvoj polovodičových součástek vedl k vývoji integrovaných obvodů (rozvoj mikroelektroniky): – křemíková destička s celým funkčním obvodem, plnící matematické operace, logické funkce a převod signálů. Nejdokonalejší integrovaný obvod – mikroprocesor.

Odkazy: Videopokusy... Milionář z fyziky... Applety na celou fyziku... (lze zvolit češtinu) Videa z elektřiny a magnetismu...

Otázky k opakování: Co je to termistor? Jak závisí odpor polovodiče na teplotě? Jak vznikne akceptor? Jak vznikne polovodič typu P Co popisuje diodový jev? Kde vznikne hradlová vrstva? Jaký jev využívá fotodioda k vytvoření elektrického proudu? Kdy dioda nevede elektrický proud? Kdy vznikne tepavý proud? Co je to rekombinace? K čemu se využívá dioda? Jak se dá změnit vodivost, nevodivost diody? Co jeto ledka? Jak se nazývá součástka se dvěma PN přechody? Co je to tranzistorový jev?

Použitá literatura LEPIL, O., ŠEDIVÝ, P. Fyzika pro gymnázia – Elektřina a magnetismus. Praha: Prometheus, 2000. ISBN 80-7196-202-3. LEPIL, O., BEDNAŘÍK, M., HÝBLOVÁ, R. Fyzika pro střední školy 2. Praha: Prometheus, 1992. ISBN 80-85849-05-4.