Digitální učební materiál Autor: Ing. Pavel Horlivý Předmět/vzdělávací oblast: Elektrotechnický základ Tematická oblast: Elektromagnetická indukce Téma: Materiály v elektrotechnice - polovodiče Ročník: 1. – 2. Datum vytvoření: červen 2013 Název: VY_32_INOVACE_15.1.09. ELE Anotace: Princip chování polovodičů a využití jejich vlastností v různých oborech elektrotechniky. Prezentace je určena pro výuku žáků oboru Telekomunikace. Využitím grafických možností sady Microsoft Office 2010 se materiál stává inovativním zejména přehledností výkladu odborného tématu. Využití multimediálních prostředků zvyšuje názornost výuky, usnadňuje porozumění tématu i u slabších žáků a žáků se SPU, udržuje jejich pozornost, podporuje jejich zájem a aktivitu. Metodický pokyn: Materiál je určen pro výuku, vyžaduje použití PC a dataprojektoru. Prezentace primárně slouží pro výklad v hodině, ale může být využita i k samostudiu a pro distanční formu vzdělávání. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků – PC a dataprojektoru.

Materiály v elektrotechnice SOŠ A SOU KLADNO DUBSKÁ

Základní třídění materiálů ELEKTRICKY VODIVÉ MATERIÁLY ODPOROVÉ MATERIÁLY POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY MATERIÁLY PRO MAGNETICKÉ OBVODY KOVOVÉ SLITINY NA PÁJKY NEVODIVÉ MATERIÁLY

POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY (POLOVODIČE) Ve vodivém materiálu je přebytek volných nosičů elektrického náboje. V izolantu je nedostatek volných elektronů. Polovodiče mají poměr 50/50. Jedná se o prvky 4. skupiny periodické soustavy prvků (PSP). Vlastní vodivost polovodiče: Atom je elektricky neutrální, pokud má stejný počet elektronů a protonů. Aby tekl proud I, uvolníme VALENČNÍ ELEKTRON (napětím, světlem, teplem …). Nevlastní vodivost polovodiče: Do materiálu 4. skupiny PSP přidáme atomy z páté nebo třetí skupiny; tím se zvětší proud.

POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY (POLOVODIČE) Germanium Ge: Vzácný polokov, vyskytuje se jako příměs v rudách zinku a stříbra, také v ložiscích uhlí. Teplota tání je 938°C. Germanid křemíku (SiGe) se užívá pro výrobu integrovaných obvodů. Permeabilita Ɛr = 16, měrná el. vodivost při 20°C – 2 až 105 Ω-1*m-1 . Využití – ve vysokofrekvenčních polovodičových součástkách Křemík Si: Tvrdý polokov, hojný výskyt. Relativní permeabilita Ɛr=12,5. Měrná elektrická vodivost závisí na množství příměsí, cca při 20°C dosahuje 10-3 až 102 Ω-1*m-1. Používá se jako monokrystalický nebo jako sloučenina (SiC).

Selen Se: Dnes se již příliš nevyužívá. Vytlačili jej Ge a Si. Samostatně se využívá omezeně k výrobě usměrňovačů, fotoelektrických článků a světelných filtrů. Užití dalších polovodičových sloučenin: Arsenid galia (GaAs) - tranzistory Arsenid india (InAn) - lasery, magnetorezistory Polovodivé fosfidy (GaP a InP) - vysokoteplotní diody Amonid india (InSb) - termovize

POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY (POLOVODIČE) Polovodič typu N: Elektronová vodivost, přidáním atomu z páté skupiny PSP (donor) získáme záporný atom s volným elektronem. Polovodič typu P: Děrová vodivost, přidáním atomu z třetí skupiny PSP (akceptor), získáme kladný atom, kterému chybí elektron.

PN přechod: Místo uprostřed polovodičového materiálu mezi jednotlivými typy polovodičů, tzv. potenciálový (elektronový) val. Dioda - jeden PN přechod Tranzistor a diak – dva PN přechody Tyristor – tři PN přechody Triak – čtyři PN přechody Integrované obvody – více PN přechodů

Propustný směr: Kladný pól ss zdroje je připojen na P Propustný směr: Kladný pól ss zdroje je připojen na P. Kladné díry budou odpuzovány od kladné elektrody směrem k přechodu. Záporné elektrony z N vrstvy budou vytlačovány také k přechodu. Ve vrstvě P budou náboj přenášet díry a ve vrstvě N budou náboj přenášet elektrony. Přechod bude elektricky vodivý. Závěrný směr: Záporný pól ss zdroje je připojen na P. Kladné díry z vrstvy P přilnou k záporné elektrodě, záporné elektrony z vrstvy N přilnou ke kladné elektrodě. Na přechodu vznikne pásmo bez volných nosičů. Tento PN přechod bude pro tuto polaritu elektricky nevodivý.

Polovodiče v praxi: Dioda – jeden PN přechod, dva stavy (závěrný a propustný). Využívá se zejména k usměrňování el. proudu. Hrotová, LED, Zenerova … Tranzistor – dvojice přechodů PN, základ všech integrovaných obvodů, má schopnost zesilovat. Bipolární BJT, unipolární FET, JFET, MESFET, MISFET, MOSFET… Obr. 1

Tyristor – čtyřvrstvá spínací součástka (obvykle PNPN), používá se k řízení velmi výkonných el. strojů. Triak – spínací prvek schopný vést proud oběma směry, používá se k řízení otáček praček, vrtaček apod. Diak – spínací prvek schopný vést proud oběma směry, je ovládán vstupním napětím, nedá se řídit.

KONTROLNÍ OTÁZKY Objasni co je vlastní a nevlastní vodivost. Vyjmenuj polovodičové materiály a polovodičové sloučeniny. Objasni pojem polovodič typu N a P. Popiš funkci PN přechodu. Jak nazýváme součástky s jedním, dvěma, třemi a čtyřmi přechody?

Použité zdroje ŠAVEL, Josef. Elektrotechnologie: materiály, technologie a výroba v elektronice a elektrotechnice. 3., rozš. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2004, 299 s. ISBN 80-730-0154-3. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006, 623 s. ISBN 80-867-0613-3. VOBECKÝ, Jan a Vít ZÁHLAVA. Elektronika: součástky a obvody, principy a příklady. 3., rozš. vyd. Praha: Grada Publishing, 2005, 220 s. ISBN 80-247-1241-5. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Pavel Horlivý. Obrázky: Obr. 1 STOLAROVA, Karolina. Wikipedia.cz [online]. [cit. 20.6.2013]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dioda_2.png