Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

PN přechod, princip diody Orbis pictus 21. století PN přechod, princip diody Obor: Elektrikář Ročník: 1. Vypracoval: Ing. Jiří Šebesta, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Polovodič je látka, která se v běžném stavu chová jako izolant. Pokud však na polovodič působíme z vnějšku (ohřátím, světlem nebo vnějším elektrickým polem), z atomů polovodiče mohou být vytrhávány valenční elektrony (elektrony z vnější atomární slupky), které mohou být nosiči elektrického proud a polovodič se pak chová jako vodič. Valenční elektrony současně zajišťují vazbu (v krystalické struktuře) se sousedním atomem. Typickým představitelem polovodičů je křemík Si se 4 valenčními elektrony.

Krystalická struktura křemíku s vazbami pomocí valenčních elektronů Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením teploty - atomy vlivem tepla kmitají a trhají se meziatomové vazby

Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením fotonu Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením elektrického pole

Uvolněný valenční elektron je nosičem záporného náboje. Po uvolněném valenčním elektronu vznikne v atomu díra, která je nosičem kladného náboje (atom bez valenčního elektronu vykazuje kladný náboj – protonů je více než elektronů). Pro realizaci polovodičových součástek se používají polovodiče s příměsí (vhodný počet atomů jiného - cizího prvku). Příměsí cizích atomů (dotace, dotování) získáme polovodič typu „P“ nebo typu „N“. Dotace zvětšuje vodivost polovodiče (tzv. příměsová vodivost).

Dotace pětimocným prvkem (např. Fosfor P) tzv Dotace pětimocným prvkem (např. Fosfor P) tzv. donor – vzniká volný elektron (nemá se kam vázat) – polovodič typu „N“ Dotace trojmocným prvkem (např. Indium In) tzv. akceptor – vzniká volná díra (chybí elektron do vazby) – polovodič typu „P“

I v nedotovaných polovodičích mohou vznikat volné elektrony a k nim párové díry (např. působením tepla) Opačně kladný a záporný náboj se přitahují, záporný volný elektron může být přitažen klaným atomem s dírou, dochází k tzv. rekombinaci PN přechod je tvořen polovodičem, jehož jedna část vykazuje vodivost typu „P“ a druhá část vodivost typu „N“ volné díry => <= volné elektrony

Volné elektrony a díry poblíž vlastního přechodu rekombinují, vznikne tzv. difúzní proud V ustáleném stavu vznikne prostorový náboj (nabitý malý kondenzátor s jednou elektrodou v polovodiči P a druhou v polovodiči N, izolaci tvoří volný prostor v okolí přechodu).

Připojíme-li ke kontaktům polovodiče s PN přechodem vhodné napětí tak, že kladné napětí bude na polovodiči P a záporné na N, začne kladné napětí odpuzovat díry z polovodiče P a přitahovat elektrony z polovodiče N (stejný účinek má záporné napětí na kontaktu polovodiče N). Začne téct proud, polovodičový přechod je polarizován v propustném směru.

Systém s jedním PN přechodem reprezentuje polovodičovou diodu Kontakt na polovodiči P je označován jako anoda - A Kontakt na polovodiči N je označován jako katoda - C

Při postupném zvyšování napětí na diodě, resp Při postupném zvyšování napětí na diodě, resp. PN přechodu, v propustném směru musí být nejprve překonána oblast prostorového náboje. Pro malá propustná napětí je intenzita elektrického pole velmi nízká a oblast prostorového náboje překoná jen malé množství nosičů náboje. Pro vzrůstající propustné napětí se oblast prostorového náboje zmenšuje, elektrické pole působí na kratší dráze, kterou překoná stále více nosičů náboje (proud pozvolna roste).

V okamžiku kdy oblast prostorového náboje zcela zanikne pohyb nosičů již není ničím omezován a proud prudce vzroste. Napětí při kterém tento jev nastává se nazývá prahové napětí, u křemíkových PN přechodů (Si diod) je jeho hodnota okolo 0,6 až 0,7 V - viz. voltampérová charakteristika diody V-A charakteristika diody 1N5061 v propustném směru

Připojíme-li ke kontaktům polovodiče s PN přechodem vhodné napětí tak, že záporné napětí bude na polovodiči P a kladné na N, začne záporné napětí přitahovat díry z polovodiče P a odpuzovat elektrony z polovodiče N (stejný účinek má kladné napětí na polovodiči N) = závěrně polarizovaný PN přechod Proud bude prakticky nulový, tzv. zbytkový proud, a oblast prostorového náboje se zvětší

Pokud budeme dále zvyšovat závěrné napětí na diodě, začnou záporné nosiče náboje na kontaktu anody přitahovat i kladné nosiče z kontaktu katody (a naopak), odčerpají se všechny volné nosiče v polovodiči, prudce vzroste proud podporovaný nosiči náboje z napájecího zdroje a dojde k tzv. průrazu. Při průrazu dochází k rekombinaci, jejímž výsledkem je tepelné záření, které může diodu trvale poškodit.

Do hodnoty průrazného závěrného napětí teče přechodem jen velmi malý závěrný proud, tzv. zbytkový proud. V okamžiku průrazu dojde k velmi rychlému nárůstu závěrného proudu a PN přechod se může tepelně zničit, tzv. destruktivní průraz V-A charakteristika diody 1N5061 v závěrném směru

Názorný model principu diody Diodu a její funkci si můžeme představit jako vodovodní trubku s pohyblivou klapkou a zarážkou – obr. a). Jestliže do trubky s klapkou pustíme vodu zprava, tlak vody klapku zatlačí na zarážku a voda nemůže proudit trubkou dále – obr. b). Proud vody v trubce zprava představuje diodu v závěrném směru. Naopak, jestliže pustíme do trubky vodu zleva, klapka se tlakem vychýlí a voda může bez problémů proudit – obr. c). Proud vody v trubce zleva představuje diodu v propustném směru.

Děkuji Vám za pozornost Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Jiří Šebesta Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky