Elektrický proud v polovodičích

Prezentace na téma: "Elektrický proud v polovodičích"— Transkript prezentace:

1 Elektrický proud v polovodičích
Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele je zdarma. Použití pro výuku jako podpůrný nástroj pro učitele či materiál pro samostudium žáka, rovněž tak použití jakýchkoli výstupů (obrázků, grafů atd.) pro výuku je podmíněno zakoupením licence pro užívání software E-učitel příslušnou školou. Cena licence je 270,- Kč ročně a opravňuje příslušnou školu k používání všech aplikací pro výuku zveřejněných na stránkách Na těchto stránkách je rovněž podrobné znění licenčních podmínek a formulář pro objednání licence. Pro jiný typ použití, zejména pro výdělečnou činnost, publikaci výstupů z programu atd., je třeba sjednat jiný typ licence. V tom případě kontaktujte autora pro dojednání podmínek a smluvní ceny. OK © RNDr. Jiří Kocourek 2013

2 Elektrický proud v polovodičích
© RNDr. Jiří Kocourek 2013

3 Polovodič Látka, jejíž měrný elektrický odpor (rezistivita) je při obvyklých teplotách mnohem menší než u izolantů, ale zase mnohem větší než u kovů.

4 Polovodič Látka, jejíž měrný elektrický odpor (rezistivita) je při obvyklých teplotách mnohem menší než u izolantů, ale zase mnohem větší než u kovů. Kovy r ≈ 10-8 – 10-6 W·m Izolanty r ≈ 1010 W·m Polovodiče r ≈ 10-4 – 108 W·m

5 Polovodič Látka, jejíž měrný elektrický odpor (rezistivita) je při obvyklých teplotách mnohem menší než u izolantů, ale zase mnohem větší než u kovů. Kovy r ≈ 10-8 – 10-6 W·m Izolanty r ≈ 1010 W·m Polovodiče r ≈ 10-4 – 108 W·m Příklady: křemík (Si), germanium (Ge), selen (Se), telur (Te), uhlík - grafit (C), některé sloučeniny (PbS, CdS, GaAs, atd.) křemík germanium grafit

6 Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Při nízkých teplotách jsou atomy vázány prostřednictvím vazebných elektronů; nejsou zde téměř žádné volné nosiče náboje. Polovodič se chová téměř jako izolant.

7 Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Při vyšších teplotách (např. již při pokojové teplotě) se některé elektrony uvolňují z vazeb a pohybují se volně podobně jako v kovu. V místě, odkud se elektron uvolnil vznikne oblast s nedostatkem záporného (a tedy s přebytkem kladného) náboje – díra.

8 Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Díry se mohou rovněž chovat jako volné nosiče náboje. Elektrony ze sousedních atomů mohou zaplňovat díry. Výsledek je stejný, jako by se kladné díry pohybovaly opačným směrem.

9 E Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Díry se mohou rovněž chovat jako volné nosiče náboje. Elektrony ze sousedních atomů mohou zaplňovat díry. Výsledek je stejný, jako by se kladné díry pohybovaly opačným směrem. E

10 E Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Díry se mohou rovněž chovat jako volné nosiče náboje. Elektrony ze sousedních atomů mohou zaplňovat díry. Výsledek je stejný, jako by se kladné díry pohybovaly opačným směrem. E

11 E Model vodivosti v čistém polovodiči (vlastní vodivost)
Díry se mohou rovněž chovat jako volné nosiče náboje. Elektrony ze sousedních atomů mohou zaplňovat díry. Výsledek je stejný, jako by se kladné díry pohybovaly opačným směrem. E

12 Užití čistých polovodičů
Termistor Při vyšší teplotě vzniká více párů elektron – díra, zvyšuje se počet volných nosičů náboje, snižuje se odpor termistoru. Při snížení teploty převažuje opačný proces (rekombinace – „vyplňování“ děr volnými elektrony), odpor se zvyšuje. R polovodič termistor kov T schematická značka Využití: digitální teploměry, regulace teploty

13 Užití čistých polovodičů
Fotorezistor Elektrony a díry vznikají účinkem světelného záření. Čím více je fotorezistor osvětlen, tím menší má odpor. schematická značka fotorezistor Využití: ovládání dveří, zabezpečovací zařízení, expozimetry ve fotoaparátech atd.

14 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci).

15 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci). Čtyři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; pátý je velmi slabě vázán a již při nízkých teplotách se uvolňuje a volně pohybuje krystalem.

16 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Elektronová vodivost – polovodič typu N: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán fosfor, astat nebo antimon s pěti). Tyto příměsi se nazývají donory (dárci). Čtyři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; pátý je velmi slabě vázán a již při nízkých teplotách se uvolňuje a volně pohybuje krystalem. V krystalu je daleko více elektronů než děr. Elektrony – většinové (majoritní) nosiče náboje Díry – menšinové (minoritní) nosiče náboje

17 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci).

18 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci). Všechny tři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; jedna vazba zůstane neobsazená – vzniká díra.

19 Model vodivosti v polovodiči s příměsí
Děrová vodivost – polovodič typu P: Do krystalové mřížky polovodiče je přidána příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (např. do křemíku se čtyřmi valenčními elektrony je přidán bór, hliník, galium nebo indium se třemi). Tyto příměsi se nazývají akceptory (příjemci). Všechny tři valenční elektrony se zapojí do vazby se sousedními atomy; jedna vazba zůstane neobsazená – vzniká díra. V krystalu je daleko více děr než elektronů. Díry – většinové (majoritní) nosiče náboje Elektrony – menšinové (minoritní) nosiče náboje

20 P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N N P

21 P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N

22 P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N
Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P.

23 P – N přechod Spojení polovodičů typu P a N
Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P. Tyto elektrony „vyplní“ díry (rekombinují) a podél spoje se vytvoří tenká vrstva téměř bez volných nosičů náboje – hradlová vrstva.

24 P – N přechod E Spojení polovodičů typu P a N
Při dotyku obou polovodičů začnou elektrony pronikat tepelným pohybem (difúzí) do polovodiče typu P. Tyto elektrony „vyplní“ díry (rekombinují) a podél spoje se vytvoří tenká vrstva téměř bez volných nosičů náboje – hradlová vrstva. Přebytek elektronů (záporných nábojů) v okrajové části polovodiče typu P a jejich nedostatek na okraji polovodiče typu N vede ke vzniku elektrického pole, které brání pronikání dalších elektronů do hradlové vrstvy.

25 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem

26 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem
Zapojení v závěrném směru – elektrony jsou přitahovány kladným pólem zdroje, díry jsou „přitahovány“ záporným pólem. Nosiče náboje se tedy ještě více vzdalují od P-N přechodu – hradlová vrstva se zvětšuje.

27 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem
Zapojení v závěrném směru – elektrony jsou přitahovány kladným pólem zdroje, díry jsou „přitahovány“ záporným pólem. Nosiče náboje se tedy ještě více vzdalují od P-N přechodu – hradlová vrstva se zvětšuje. Odpor diody je velmi vysoký, proud obvodem téměř neprochází.

28 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem

29 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem
Zapojení v propustném směru – elektrony i díry jsou vtlačovány do prostoru P-N přechodu – hradlová vrstva se zmenšuje, při větším napětí zaniká.

30 Polovodičová dioda Součástka s jedním P-N přechodem
Zapojení v propustném směru – elektrony i díry jsou vtlačovány do prostoru P-N přechodu – hradlová vrstva se zmenšuje, při větším napětí zaniká. Nosiče náboje jsou v celém objemu diody, odpor se výrazně snižuje, proud obvodem prochází.

31 Polovodičová dioda schematická značka Součástka s jedním P-N přechodem
diody Využití: usměrňování střídavého proudu, ochrana proti náhodnému přepólování zdroje

32 Obrázky, animace a videa použité v prezentacích E-učitel jsou buď originálním dílem autora, nebo byly převzaty z volně dostupných internetových stránek.