2.3 Elektrický proud v polovodičích látky rozdělujeme na vodiče
ρ ∈ (10 − 10 )Ωm −8
−6
polovodiče
izolanty
ρ ∈ (10 − 10 )Ωm ρ ≥ 10 Ωm −4
8
odpor s rostoucí teplotou roste
odpor s rostoucí teplotou klesá
odpor nezávisí na osvětlení nebo ozáření
odpor s rostoucí intenzitou osvětlení klesá příměsi zvyšují jejich vodivost
Si; Ge; Se; Te; C; PbS; CdS; GaAs; …
10
2.3.1 Vlastní polovodiče termistor +
fotorezistor +
–
A
teplotně závislý rezistor ze směsi oxidů např, Fe2O3, TiO2, CuO, NiO aj. s rostoucí teplotou se snižuje odpor a roste proud Užití: měření a regulace teploty, stabilizace el. obvodů, měření rychlosti průtoku kapaliny
–
A
rezistor zhotovený nejčastěji z CdS, jehož odpor je závislý na osvětlení s osvětlením se snižuje odpor a roste proud neosvětlený má odpor 106 Ω po osvětlení klesá na 103 – 102 Ω Užití: regulace a měření osvětlení (expozimetr), ovlád. přístrojů (fotobuňka), zabezpeč. zařízení (muzea)
vlastní vodivost má např. čistý monokrystalický křemík
14
Si
- 14 elektronů z toho 4 valenční - vazba se 4 sousedními atomy - při nízkých teplotách izolant - kolem 20°C vznik pár ů elektron – díra 20°C 10 16 e-/m3 300°C 1,8.10 19 e-/m3 - generování párů elektron – díra účinkem osvětlení = vnitřní fotoelektrický jev
2.3.2 Příměsové polovodiče - vznikají přidáním malého množství příměsi do vlastního polovodiče (Si, Ge ..) - isou vodivé za každé teploty polovodič typu N • příměs z 5. skupiny (P, As, Sb) = donor • 1 valenční e- se neuplatní při vazbě – je volný při libovolné teplotě • elektronová vodivost (počet e- > počet děr)
polovodič typu P • příměs ze 3. skupiny (B, Al, Ga, In) = akceptor • 1 valenční e- chybí pro vazbu – vzniká díra • děrová vodivost (počet děr > počet e-)
Polovodič v elektrickém poli +
–
–
–
– –
–
–
– –
volné elektrony se pohybují směrem k + a obsazují přitom díry → díry se pohybují směrem k – Elektrický proud v polovodičích je uspořádaný pohyb volných elektronů a děr. Platí: I = Ie + Id
Polovodičová dioda je polovodičová součástka s jedním PN přechodem P
N
+
–
– +
+
+ +
–
–
– +
+ –
–
–
+
+
–
+
–
–
– ––
+ +
V praxi se PN přechod vytváří např. sléváním: na křemíkovou destičku typu N se položí kousek hliníku a zahřeje na teplotu tAL< t < tSi , atomy hliníku proniknou do krystalu a vytvoří malou oblast typu P
Polovodičová dioda
je polovodičová součástka s jedním PN přechodem
E
+
–
– +
+ +
–
–
+
+ –
– – +
–
+
+
– + + E
–
N +
P
–
– ––
Na rozhraní PN se vytvoří tzv. HRADLOVÁ VRSTVA s intenzitou E , která zabrání v přecházení dalším elektronům. (tloušťka hradlové vrstvy asi 1 µm)
Diodový jev +
–
+
nesvítí
svítí P N
Dioda je zapojena v PROPUSTNÉM SMĚRU, dioda propouští elektrický proud.
–
N
P
Dioda je zapojena v ZÁVĚRNÉM SMĚRU, dioda nepropouští elektrický proud.
Diodový jev – vysvětlení –
–
+ + E
vnější elektrické pole hradlovou vrstvu zruší obvodem prochází elektrický proud
–
–
+
– –
N – –
+
–
+
+
+
P
N
P
+
+
E
–
+
–
vnější elektrické pole hradlovou vrstvu posílí obvodem prochází jen nepatrný proud menšinových nosičů
Voltampérová charakteristika diody I/mA 300
UF0 … prahové napětí
250
IFM … nejvyšší hodnota proudu při trvalém zatížení (udává výrobce)
200 150 100 50 0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 U/V
UBR … průrazné napětí (v závěrném směru nesmí být překročeno)
Využití diod • usměrňování střídavého proudu • ve stabilizačních obvodech (Zenerova d.) • světelná signalizace nebo osvětlení (LED) • přeměna světelné energie na elektrickou (fotodioda)
LED = light emitting diod luminiscenční dioda vyrábí se z arsenidu galia GaAs děje na PN přechodu jsou provázeny vznikem viditelného nebo infračerveného záření
LED = light emitting diod
-indikace stavu elektrozařízení
-čelovky, baterky
-automobilové reflektory
-displej
-dopravní světla a značení
-počítačová myš
-velkoplošné obrazovky
Fotodioda
světlo pronikající k PN přechodu generuje páry elektron-díra osvětlená fotodioda se stává zdrojem elektrického napětí výroba solárních (fotovoltaických) článků
Tranzistor je polovodičová součástka se dvěma PN přechody typ NPN B
C
typ PNP
E
B
C E
NPN šipka ven
N
P
P
N
N
P
Tranzistorový jev –
+ N
N
P
P
N
N
–
+
V obou případech je vždy jeden z PN přechodů zapojen v závěrném směru a tranzistorem proud neprochází.
Tranzistorový jev +
+ –
+
C
– E
– –
–
–
+
B
Po připojení báze ke zdroji napětí se tranzistor OTEVŘE. Malým proudem v obvodu (báze – emitor) se uzavírá obvod (kolektor – emitor) s velkým proudem. Tranzistor pracuje jako zesilovač proudu.
Teplotní čidlo - při zvyšování teploty klesá odpor termistoru, tranzistor se zavře, žárovka zhasne + –
B
C
- po zchladnutí termistoru se žárovka znovu rozsvítí
E
t
Využití: v obvodech, kde je třeba hlídat teplotu např. při vytápění objektů
Automatické osvětlení
+ –
B
C E
- při zatmívání fotorezistoru roste jeho odpor, tranzistor se otevře, žárovka se rozsvítí - při osvětlení fotorezistoru, klesá jeho odpor, tranzistor se zavře, žárovka zhasne
Využití: noční osvětlení schodiště, samočinné veřejné osvětlení ulic a budov po setmění
