Výuková centra Projekt č. CZ.1.07/1.1.03/01.0057 © Letohradské soukromé gymnázium o.p.s.

El.proud v polovodičích Vlastnosti a struktura polovodičů Vlastní vodivost Termistor a fotorezistor Příměsova vodivost Polovodiče typu N Polovodiče typu P PN přechod Polovodičová dioda Použití polovodičové diody Usměrňovací polovodičové diody Tranzistor Použití tranzistorů

Vlastnosti a struktura polovodičů polovodiče jsou materiály, které se za určitých podmínek chovají jako vodiče, jindy zase jako izolanty nejpoužívanějším polovodičem je křemík Si, pak prvky IV.skupiny MPTP germanium Ge, uhlík C, selén Se a některé sloučeniny (např. GaAs, GaP) elektrické vlastnosti polovodičů souvisí mřížky s vlastnostmi jejich krystalové každý prvek IV.skupiny má čtyři valenční elektrony a tvoří čtyři vazby se sousedními atomy, které jsou pravidelně uspořádány v krystalové mřížce

Vlastní vodivost Odpor vodičů silně závisí na teplotě a na osvětlení: ve tmě a při nízkých teplotách jsou valenční elektrony silně poutány k atomům mřížky a křemík proud nevede osvětlením a zahřáním se ato- my rozkmitají z vazeb a některé elektrony se uvolní opustí-li elektron své místo v mřížce, schází na tomto místě záporný náboj chybějící záporný náboj se navenek projeví jako přebývající kladný náboj, nazývaný „díra“ do kladné „díry“ může přeskočit jiný elektron z mřížky a doplnit chybějící záporný náboj křemíkový krystal připojením ke zdroji napětí se začnou elektrony přesouvat ke kladnému pólu, díry k zápornému pólu a křemík vede elektrický proud

Termistor a fotorezistor nejjednoduššími polovodič. součástkami jsou termistor a fotorezistor termistory jsou velmi citlivé na změny teploty a používají se jako teplotní čidla pro měření a regulaci teploty ( např.v digitálních a elektronických teploměrech) fotorezistory jsou velmi citlivé na změny osvětlení a používají se jako světelná čidla k měření nebo regulaci osvětlení (např. v expozimetrech fotoaparátů a jako čidla v poplašných zařízeních) skutečný průměr fotorezistoru je 1 cm

Příměsova vodivost zjistilo se, že odpor polovodičů silně závisí i na jejich chemické čistotě obohacením polovodiče o nepatrné množství vhodné příměsí se jeho vodivost při pokojové teplotě mnohonásobně zvětší polovodiče s příměsí prvku s pětivaznými atomy (např. fosforem P, arsenem As, antimonem Sb) označujeme jako polovodiče typu N polovodiče s příměsí prvku s trojvaznými atomy (např. indiem In, borem B, hliníkem Al) označujeme jako polovodiče typu P Polovodič typu N (negativní): Nahradíme-li některé atomy křemíku pětivaznými atomy (např. fosforem, arsenem, antimonem), zúčastní se chemických vazeb v krystalové mřížce čtyři valenční elektrony. Pro pátý valenční elektron už žádná vazba nezbývá a proto zůstane volný. Křemík s příměsí pětivazného prvku má nadbytek volných elektronů a označuje se jako polovodič typu N. Elektrický proud vedou volné elektrony, polovodič typu N má elektronovou vodivost. Polovodič typu P (pozitivní): Nahradíme-li některé atomy křemíku trojvaznými atomy (např. indiem, borem, hliníkem), schází pro nasycení vazeb se sousedními atomy jeden elektron. V mřížce vzniká na místě chybějícího elektronu kladná „díra“, kterou může zaplnit elektron z některé jiné vazby. "Díra" se v krystalu přesune na jeho místo a celý děj může pokračovat. V křemíku s příměsí trojvazného prvku je nadbytek kladných „děr“ a proto se označuje jako polovodič typu P. Elektrický proud vedou „díry“, přemisťující se v krystalu. Polovodič typu P má děrovou vodivost

Polovodiče typu N atom arsenu se zúčastní chemických vazeb v krystalové mřížce čtyřmi elektrony a pátý elektron zůstane volný křemík s touto příměsí má nadbytek elektronů (s negativním nábojem) a označuje se proto jako polovodič typu N elektrický proud vedou volné elektrony, říkáme, že polovodič typu N má elektronovou vodivost

Polovodiče typu P atomu india schází pro nasycení vazeb se sousedními atomy jeden elektron v mřížce vzniká na místě chybějícího elektronu kladná „díra“, kterou může zaplnit elektron z některé jiné vazby a „díra" se v krystalu může přesunout na jeho místo křemík s touto příměsí má nadbytek kladných „děr“ a ozn. se jako polovodič typu P Nahradíme-li některé atomy křemíku trojvaznými atomy (např. indiem, borem, hliníkem), schází pro nasycení vazeb se sousedními atomy jeden elektron. V mřížce vzniká na místě chybějícího elektronu kladná „díra“, kterou může zaplnit elektron z některé jiné vazby. "Díra" se v krystalu přesune na jeho místo a celý děj může pokračovat. V křemíku s příměsí trojvazného prvku je nadbytek kladných „děr“ a proto se označuje jako polovodič typu P. Elektrický proud vedou „díry“, přemisťující se v krystalu. Polovodič typu P má děrovou vodivost elektrický proud vedou „díry“, přemisťující se v krystalu, říkáme, že polovodič typu P má děrovou vodivost

PN přechod Vznik PN přechodu aneb hradlové vrstvy : v oblasti kontaktu polovodiče P a N pronikne část volných elektronů z oblasti N do oblasti P a tam rekombinují s "děrami„ tady se vytvoří mikroskopické oblast bez volných nábojů, a teda s velkým elektrickým odporem, kterou ozn. PN přechod nebo hradlová vrstva PN přechod   je základem většiny polovodičových součástek (diod, tranzistorů, LED diod, mikroprocesorů, solárních článků aj.)

Polovodičová dioda Diodový jev : Při zapojení diody ke zdroji stejnosměrného napětí se projeví její usměrňovací účinek – při jedné její orientaci diodou proud prochází ( zapojení v tzv. propustném směru), zatímco při opačné orientaci nikoli (zapojení v tzv. závěrném směru)

Polovodičová dioda při zapojení + pólu zdroje k anodě (P) a - pólu zdroje ke katodě (N) se přechod PN při zapojení + pólu zdroje ke katodě(N) a - pólu zdroje k anodě (P) se přechod PN v diodě, bránící průchodu částic, zmenší nebo úplně zruší diodou protéká elektrický proud rozšíří, elektrický odpor diody se zvětší elektrický proud diodou téměř neprochází

Použití polovodičové diody usměrňovací dioda - funguje jako filtr, který ze střídavého proudu filtruje jenom kladnou nebo zápornou složku fotodioda –součást fotobuněk nebo solárních článků LED dioda - signalizace průchodu proudu nebo zdroj světla

Usměrňovací polovodičové diody jednocestný usměrňovač dvojcestný usměrňovač ~ proud prochází v 1.polovině ~ diodou 1 a 2, v 2.polovině ~ diodou 3 a 4, směr proudu vystupujícího z můstku je stále stejný

Tranzistor Tranzistorový jev: tranzistor je polovodičová součástka se dvěma PN přechody jednotlivé části a zároveň i vývody se nazývají báze, emitor a kolektor existují dvojího typu: typu NPN a typu PNP tranzistor typu NPN kolektor báze emitor tranzistor typu PNP kolektor báze emitor VIDEO 1 (vložené materiály/stavebnice2.avi) Tranzistor typu NPN je v sérii s ampérmetrem připojený přes kolektor a emitor  ke zdroji napětí. Tento obvod se nazývá kolektorový obvod. Ampérmetr neukáže žádnou výchylku.  Do obvodu demonstrátor připojí rezistor mezi kladný pól zdroje napětí a bázi tranzistoru. Obvod báze je tvořen zdrojem napětí, rezistorem a tranzistorem připojeným přes bázi a emitor. Ampérmetr ukáže výchylku. Po připojení obvodu báze prochází kolektorovým obvodem proud (55 mA). VIDEO 2 (vložené materiály/stavebnice4.avi) ve druhé video ukázce je ve stejném zapojení zaměněn tranzistor typu NPN za tranzistor typu PNP. Po připojení zdroje ampérmetr výchylku neukáže. Měřitelný proud prochází kolektorovým obvodem až při změně polarity zdroje. Proč neprochází proud v kolektorovém obvodu? Jsou přechody zapojeny v propustném nebo závěrném směru? Přechod mezi kolektorem a bází je zapojen v závěrném směru, proto tranzistorem neprochází měřitelný proud   V jakém směru (propustném/závěrném) je zapojen přechod mezi bází a emitorem? Prochází proud v obvodu báze? Přechod mezi bází a emitorem je zapojen v propustném směru, proto obvodem báze prochází proud Proud báze je tvořen elektrony, které z emitoru pronikají do oblasti báze. Co se stane s elektrony v bázi? V oblasti báze jsou většinovými nosiči náboje díry. Elektrony s dírami rekombinují V malém objemu báze je nedostatek volných děr, s kterými by elektrony mohly rekombinovat. Elektrony jsou současně silně přitahovány ke kolektoru, který má kladný potenciál. Proč mohou elektrony volně přecházet kolektorovým přechodem (přechod mezi bází a kolektorem), i když je přechod zapojený v závěrném směru? Elektrony jsou v oblasti báze menšinovými nosiči náboje a přechod je pro ně propustný. Přechod je uzavřen pro většinové náboje, tj. díry. Z elektronů, které přicházejí do báze, se jen malá část rekombinuje, proud báze je tvořen jen několika málo elektrony, které bází projdou. Většina elektronů přechází do kolektoru a vytváří značně větší proud kolektorem  (100x až 10 000x větší proud). Proč ampérmetr ve 2. videoukázce neukáže výchylku, když připojíme zdroj podle prvního zapojení? Tranzistorový jev: Malé napětí vzbuzuje v obvodu báze proud, který je příčinou vzniku mnohem většího proudu v obvodu kolektorovém. Tranzistor se tzv. otevírá.

Použití tranzistorů zesilovač - slabý signál přivedený na bázi je po zesílení odebírán z obvodu kolektoru spínač - tato funkce je základem integrovaných obvodů, např. v kalkulačkách a v počítačích

Výuková centra Projekt č. CZ.1.07/1.1.03/01.0057 © Letohradské soukromé gymnázium o.p.s.