17. Elektrický proud v polovodi ích, užití polovodi ových sou ástek Polovodi e se od kov liší p edevším tím, že mají v tší rezistivitu (10-2 .m až 109 .m) (kovy 10-8 .m až 10-6 .m). Tato rezistivita u polovodi s rostoucí teplotou rychle klesá, zatímco u kov roste: Mezi polovodi e pat í nap . prvky Si, Ge, C(grafit), Se, Te, slou eniny PbS, CdS, … i n které organické polovodi slou eniny, nap . hemoglobin a chlorofyl. Nejv tší praktické uplatn ní má Si a Ge. kov T Nosi e el. náboje v polovodi ích – elektrony (záporný náboj) a díry (prázdná místa po uvoln ných elektronech – kladný náboj) Vodivost polovodi
: 1. vlastní
Nap íklad k emík je ty mocný (má 4 valen ní elektrony) a jeho atomy jsou uspo ádány v krystalové m ížce. P i nízkých teplotách jsou valen ní elektrony siln poutány v m ížce, k emík proud nevede. P i zah átí se ionty v krystalové m ížce rozkmitají a dochází k uvol ování valen ních elektron . Opustí-li elektron své místo v m ížce (na obr. šipky), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá "díra" a chyb jící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný (na obr. vyzna en mod e). Do "díry" m že p esko it jiný elektron z krystalové m ížky a doplnit chyb jící záporný náboj. Dojde k rekombinaci. Kladná "díra" se však objeví na míst , odkud elektron p esko il, vypadá to tedy, jako by se "díry" st hovaly v krystalové m ížce z místa na místo. P i vlastní vodivosti se elektrony a díry podílejí na vodivosti stejn . 2. p ím sová a) Vodivost typu N (negativní): V krystalu k emíku jsou n které atomy nahrazeny p timocnými atomy, nap . arzenu. Jejich ty i valen ní elektrony se ú astní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slab vázané a již p i nízkých teplotách se stanou volnými elektrony. V k emíku s p ím sí p timocného prvku ( íká se mu donor) je nadbytek volných elektron , které po p ipojení ke zdroji zp sobují jeho elektronovou vodivost typu N.
b) Vodivost typu P (pozitivní): Zabudují-li se do krystalové m ížky atomy trojmocného prvku se t emi valen ními elektrony, nap . india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V míst nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" m že zaplnit elektron z n které jiné vazby a "díra" se v krystalu p esune na jeho místo. P ím s trojmocného prvku ( íká se mu akceptor) vytvá í v krystalu k emíku nadbytek kladných "d r", které po p ipojení ke zdroji zp sobují jeho d rovou vodivost typu P.
Diodový jev a jeho užití (usm r ova ):
Nejv tší využití v elektronice má p echod PN. Nazývá se tak oblast styku dvou polovodi s opa ným typem vodivosti. P echod PN má tu vlastnost, že v jednom sm ru jím proud m že procházet, zatímco v opa ném sm ru nikoli. Vysv tlení spo ívá v tom, že polovodi typu N obsahuje ve své krystalové m ížce voln pohyblivé záporné elektrony, polovodi typu P má v krystalové m ížce voln pohyblivé kladné "díry". P echod PN: a) Bez zdroje nap tí: V oblasti styku obou polovodi se ást elektron z oblasti N dostane do oblasti P a ást "d r" z oblasti P p ejde do oblasti N. Volné elektrony rekombinují s "d rami", takže kolem p echodu PN se vytvo í nevodivá oblast bez volných náboj (na obrázku vyzna ena šedou barvou). b) Záv rný sm r: P ipojíme-li k polovodi i P záporný pól a k polovodi i N kladný pól zdroje, vzdalují se p sobením elektrických sil volné náboje od p echodu PN, oblast bez volných náboj se rozší í, její odpor vzroste a elektrický proud p echodem PN nem že procházet. Nevodivé oblasti bez volných náboj íkáme hradlová vrstva. c) Propustný sm r: Zm níme-li polaritu p ipojeného zdroje, p echázejí p sobením elektrických sil volné elektrony p es p echod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou p itahovány k zápornému pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu. Takto zapojeným p echodem PN proud prochází.
Popsaný jev, p i kterém závisí odpor p echodu PN na polarit p ipojeného zdroje, nazýváme diodový jev. Prvek s jedním p echodem PN je nejjednodušší polovodi ovou sou ástkou - je to polovodi ová dioda. Polovodi P je p ipojen k elektrod nazývané anoda, polovodi N je p ipojen ke katod . Na obrázku je znázorn n vztah mezi strukturou diody (vlevo) a její schématickou zna kou.
Na dalším obrázku je schéma jednoduchého diodového jednocestného usm r ova e. Ze st ídavého proudu získáme po pr chodu diodou pulzující stejnosm rný proud.
Pozn. P íkladem složit jšího zapojení polovodi ových diod je dvoucestný usm r ova (využívá se obou polovin periody st ídavého nap tí) realizace : 2 dvojice diod - GRAETZOVO ZAPOJENÍ
- výstupní nap tí pulsuje s dvojnásobnou frekvencí - k vyhlazení se používají složit jší filtry složené z kondenzátor , rezistor , tlumivek, ..
Tranzistory
Tranzistor je polovodi ová sou ástka se t emi elektrodami - emitorem E, bází B a kolektorem K. Vyrábí se ve dvou modifikacích: •
NPN (emitor je polovodi typu N, báze je vrstvi ka polovodi e typu P a
•
PNP (emitor je polovodi typu P, báze je vrstvi ka polovodi e typu N a
kolektor je op t polovodi typu N
kolektor je op t polovodi typu P
Rozdíl mezi tranzistorem typu NPN a typu PNP spo ívá v podstat jen v opa né polarit p i jejich napájení. Tranzistory jsou v obvodech zapojeny t emi možnými zp soby: "se spole nou bází", "se spole ným kolektorem" nebo "se spole ným emitorem". Poslední zapojení je v elektronických p ístrojích nej ast jší. Tranzistor typu NPN v zapojení se spole ným emitorem pracuje takto: vstupní elektrodou je báze a výstupní elektrodou je kolektor. Obvod báze je tvo en p echodem báze - emitor a je zapojen v propustném sm ru. Kolektorový obvod je tvo en ob ma p echody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen v záv rném sm ru. Báze je tedy p ipojena k malému kladnému nap tí a kolektor k velkému kladnému nap tí. Jestliže k bázi p ipojíme zdroj malého vstupního nap tí (nap íklad z mikrofonu nebo magnetofonové hlavy), p echázejí elektrony z emitoru do báze (propustný sm r), ale v tšina pokra uje p es p echod báze - kolektor do kolektoru, protože jsou k n mu p itahovány velkým kladným nap tím.
vstup : zesilované nap tí u1 výstup : zesílené nap tí u2
Malá zm na proudu IB v obvodu báze vyvolá velkou zm nu proudu IK v obvodu kolektoru. D ležitým parametrem tranzistoru je jeho proudový zesilovací initel: Hodnota zesilovacího initele v podstat udává zesílení tranzistoru a dosahuje podle typu a funkce v zapojení hodnot n kolika desítek nebo stovek.
Proud báze se periodicky m ní kolem hodnoty IB0, potom periodické zm ny výstupního nap tí UCE0 vypadají takto :
vstupní a výstupní nap tí mají opa nou fázi
Polovodi ové prvky a jejich funkce: Termistor – je polovodi ová sou ástka (teplotn závislý odpor), která se používá jako teplotn citlivá sou ástka. Jeho odpor klesá s teplotou, p i emž zm na odporu s teplotou je daleko rychlejší než u kov . Fotorezistor - je polovodi ová sou ástka, jejíž odpor závisí na osv tlení (snižuje se se zvyšující se intenzitou dopadajícího sv tla). Zenerova dioda - je jedním ze speciálních druh diod s velmi úzkým PN p echodem. Zenerovy diody se z hlediska fyzikálního principu d lí do dvou skupin: 1. Zener v tunelový jev je základem innosti u diod s malým nap tím (asi do 6 V) - jelikož p echod je úzký, m že elektron "protunelovat" na druhou stranu 2. Zenerova dioda s vyšším nap tím funguje na principu lavinového pr razu záv rn polarizovaného p echodu PN. Elektron jako minoritní ástice je elektrickým polem v záv rném sm ru urychlován. M že p i vysokém nap tí získat takovou energii, že p i srážce s atomem z n j vyrazí další elektron. Ten je zase urychlován, vyrazí další elektron a takto proud p es p echod prudce vzr stá. Je t eba, aby byl proud omezován sériovým odporem, jinak dojde k destrukci.Pr razné nap tí záv rn polarizované diody souvisí s m rným odporem materíálu, z n hož je dioda vyrobena. Slitinovou nebo difuzní technologií p i použití r zn vodivého výchozího monokrystalu je možno vyrobit diodu s pr razným nap tím v rozmezí od 6 V do stovek volt . Je-li chlazením zajišt no, že p i pr razu nedojde k nadm rnému oh evu p echodu a tím i k jeho zni ení, lze této oblasti innosti v praxi využívat. V praxi m žeme využít jak b žnou propustnou oblast tak i záv rnou oblast s nap ovým pr razem. Zenerova dioda se využívá hlavn ve stabilizátorech nap tí, ve zdrojích referen ních úrovní, v omezova ích úrovní atd. Schematická zna ka Zenerovy diody: Do obvodu se zapojuje v záv rném sm ru. Zapojení: Voltampérová charakteristika diody
Sv telná dioda - když diodou prochází proud, dochází na PN p echodu k rekombinaci elektron a d r. P itom se uvol uje energie, která se m že vyzá it ve form fotonu o p íslušné vlnové délce. Svítivou diodu je nutno vždy zapojovat do série s rezistorem (ochranný rezistor), který omezuje maximální proud procházející diodou.
Fotodioda - polovodi ová dioda, která se po osv tlení stává zdrojem el. nap tí, aniž je p ipojena k jinému zdroji. Velikost nap tí je asi 0,5 V na jeden lánek (jednu fotodiodu). Fotodioda v tomto zapojení se asto nazývá slune ní (solární) lánek, p ípadn foto lánek. Fotodioda se m že zapojit jako odporová a pak se používá stejn a ve stejném zapojení jako fotorezistor. Integrovaný obvod – tvo en diodami a tranzistory, ale také tzv. pasivními prvky (rezistory, kondenzátory, vodivé spoje,…) – provádí logické operace, pro n ž byl vyroben. Nelze jej naprogramovat. Mikroprocesor – velmi složitý integrovaný obvod, který na jediné malé desti ce k emíku soust e uje tisíce tranzistor , diod, rezistor . Jeho funkce lze naprogramovat.
