Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově
07_3_Elektrický proud v polovodičích
Ing. Jakub Ulmann
3 Polovodiče Př. 1: Co je to?
Př. 2: Co je to? Mikroprocesor - nejsložitější součástka vůbec. Stovky miliónů kondenzátorů, rezistorů, tranzistorů…
Př. 3: Co je to? Umělé monokrystaly Si. Jsou základem výroby polovodičů.
Křemík a germanium mají neobvyklé elektrické vlastnosti.
3.1 Nejjednodušší polovodičové součástky Termistor funguje obráceně než žárovka, s rostoucí teplotou se jeho odpor zmenšuje.
Fotorezistor má odpor, jehož velikost záleží na tom, jak moc na něj svítíme (více světla - menší odpor).
Dioda propouští proud pouze v jednom směru, navíc VA závislost není lineární, proud roste rychleji.
Různé provedení diod
http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templa te.php?s=pol_termistor&l=cz&zoom=0 Funkci těchto součástek nevysvětlíme pomocí vedení proudu ve vodičích, existuje další skupina látek, která se chová jinak než vodiče nebo izolanty. Měrný elektrický odpor : Vodiče – méně než 10-8 m-1 Izolanty – více než 1010 m-1
Polovodiče – mezi 10-4 a 108 m-1 Polovodiče jsou mezi, ale to není nejdůležitější. Základní vlastnost polovodičů je, že jejich elektrické vlastnosti jsou velmi rozdílné za různých podmínek.
3.2 Vlastní vodivost polovodičů Každý atom křemíku má 4 valenční elektrony (vnější elektrony ve vrstvě nejvíce vzdálené a tudíž nejméně přitahované) a zároveň 4 sousedy. Elektrony jsou vázány do sdílených elektronových párů, které drží krystal pohromadě.
⇒ V krystalu Si nejsou volné elektrony, které by mohly vést elektrický proud ⇒ Si se při nízkých teplotách chová jako izolant. Křemík má velmi stabilní strukturu (podobně jako diamant).
Znázorňujeme v rovině.
Při rostoucí teplotě se uvolňují některé elektrony a stávají se nositeli elektrického náboje.
+
-
Odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou prudce klesá. Př. 1: Nakresli do společného grafu závislost měrného elektrického odporu polovodiče a kovu na teplotě.
t Př. 2: Pohyb náboje způsobují i volná místa po elektronu. Jedná se o generaci páru elektron – díra. Jak je možný pohyb děr tj. kladného náboje?
Pohyb záporného elektronu a kladné díry. Elektrony přeskakují do uvolněného místa.
+
-
Uvedený mechanismus popisuje vedení proudu v polovodičích a nazývá se vlastní vodivost. Látky, které vedou proud vytvářením párů elektron – díra, nazýváme vlastní polovodiče. Př. 3: Odpor termistoru se při zahřátí zmenšil z 237 při 20 °C na 219 při 25 °C. Určete teplotní součinitel odporu, jestliže předpokládáme lineární chování a porovnejte jej s teplotním součinitelem mědi.
R R0 1 t
α = I-1510-3I > 410-3
15 je přibližně 4 krát víc než 4. Tedy 4 krát citlivější na změny teploty než vodič (umožňuje přesnější měření teploty).
Vlastní polovodiče se uplatňují jako termistory a fotorezistory.
3.3 Příměsové polovodiče Př. 1: Nakresli, jak se změní situace části křemíkového polovodičového krystalu, pokud bude prostřední atom křemíku nahrazen atomem prvku s pěti valenčními elektrony (As, P, Sb).
Každý atom příměsi přinese volný elektron a umožňuje elektronovou vodivost. Takový krystal označujeme polovodič typu N.
Kreslíme takto:
N
-
-
- -
-
-
-
Př. 2: Značky mínus neznamenají, že je polovodič elektricky záporně nabitý. Vysvětli.
Příměs má o jeden elektron navíc, ale má stejný počet protonů jako elektronů.
Př. 3: Nakresli, jak se změní situace části křemíkového polovodičového krystalu, pokud bude prostřední atom křemíku nahrazen atomem prvku se třemi valenčními elektrony (Al, Ga, In). P +
+ +
+ +
+ +
Každý atom příměsi vytvoří volné místo - díru. Takový krystal označujeme polovodič typu P. Značky plus neznamenají, že je elektricky nabitý…
Polovodič typu P umožňuje tzv. děrovou vodivost.
Přidáním pětimocné příměsi do čistého křemíku vznikne polovodič typu N. Přidáním trojmocné polovodič typu P. Souhrnně je nazýváme polovodiče příměsové. Jejich vodivost je značně větší, než vlastní vodivost polovodičů. Př. 4: Pracovní sešit F 9, strana 22/1, 2, 4, 6.
3.4 Dioda a přechod PN
Dioda je elektrická součástka s přechodem PN.
Značka:
Spojíme-li k sobě dva polovodiče P a N (nestačí přiložit, ale navařit apod.) vznikne součástka se zajímavými vlastnostmi – dioda. Má dva vývody, ano-da je na straně +…
Anoda
P +
+ +
+ +
+ +
N
-
-
- -
-
-
Katoda
-
Př. 1: Co se bude dít v místě přechodu? Elektrony z N se pohybují po krystalu. Když se dostanou do oblasti P, mohou narazit na díru a spadnout do ní rekombinovat. Jedná se o difůzi.
V kolečku znázorňujeme částice, které se mohou pohybovat (kutálí se), v čtverečku nehybné ionty.
Na kraji oblasti P přibývají elektrony nachytané do děr ⇒ z atomů příměsi se stávají ionty nabité záporně (u přechodu se kraj oblasti P nabíjí záporně). Na kraji oblasti N začínají elektrony chybět (odtud přeskočily do oblasti P) ⇒ u přechodu se kraj oblasti N nabíjí kladně. E P
+ +
+
+
+ +
+
-
+ + + +
-
-
-
-
N
-
Vzniká tak přechod (hradlo, hradlová vrstva) silný asi 1 m s elektrickým polem, jehož intenzita směřuje z oblasti polovodiče N do oblasti polovodiče P.
Toto elektrické pole brání dalšímu pronikání elektronů a děr do oblasti přechodu PN. V rovnovážném stavu se v této oblasti nenacházejí žádné volné částice s nábojem, proto má tato vrstva velký odpor.
Př. 2: Zakreslete zapojení diody na zdroj napětí, nejprve anodu na kladný pól. Co se bude dít? Bude protékat proud? E P Anoda
+
+ +
+
+
+ +
+
-
+ + + +
-
-
-
-
N Katoda
-
Po překonání napětí hradlové vrstvy, začne diodou protékat proud. Zapojení v propustném směru.
Př. 3: Nyní zapojte anodu na záporný pól. Co se bude dít? Bude protékat proud? P +
-
Anoda
+ + + + + +
-
+ + + +
- N - - -
Katoda
Rozšíří se přechod, kde nejsou volné částice. Nebude procházet proud. Zapojení v závěrném směru.
+
3.5 Voltampérová charakteristika polovodičové diody viz laboratorní práce Voltampérová charakteristika polovodičové diody je graf závislosti proudu, který prochází diodou, na přípojném napětí.
UF0 je prahové napětí, UBR je průrazné napětí.
http://www.vascak.cz/?cat=66
3.6 Základní druhy diod a využití
Zenerova dioda diodový usměrňovač, svítící dioda - LED, fotodioda. Zenerova dioda Zapojuje se v závěrném směru. Při vzniku většího napětí dojde k elektrickému nedestruktivnímu průrazu diody. Slouží např. jako ochrana obvodu před napěťovými špičkami.
Usměrňovač střídavého napětí na stejnosměrné Př. 1: Znázorněte časový průběh střídavého proudu, protékajícím obvodem.
Jedná se o jednocestný usměrňovač. Obdoba jednocestného ventilu v hydraulice.
Př. 2: Vysvětlete následující Greatzovo zapojení 4 diod (dvojcestný usměrňovač). Znázorněte průběh střídavého napětí na vstupu a stejnosměrného proudu na výstupu.
LED – svítící dioda (Light-Emitting Diode) Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) světlo s úzkým spektrem (pouze jednu barvu).
Elektron při rekombinaci s dírou ztrácí energii a vyzáří ji ve formě světla. Může emitovat i jiné druhy záření. Má dva vývody, katoda je kratší a dioda je u katody zploštělá.
Zapojuje se kvůli ochraně s rezistorem: (napětí se dělí…)
Využití LED • Blikačky – červené diody jsou jednodušší než bílé. • Polovodičové lasery – ukazovátka, DVD (světlo laseru má výrazně užší spektrum). • Světla – díky svým výhodám – nízká spotřeba, okamžité zapnutí…, nahrazují LED jiné světelné zdroje. • LED emitující infračervené světlo v dálkových ovladačích. Referát LED obrazovky a LED televize OLED
„Neviditelné“ světlo diody zachycené digitálním fotoaparátem.
Př. 5.225: Obvod na obr. je tvořen stejnými rezistory o odporu 1 kW a polovodičovými diodami. Určete celkový odpor obvodu, je-li bod A připojen a) ke kladnému pólu zdroje, b) k zápornému pólu zdroje.
a) Diody jsou spojeny v propustném směru a rezistory jsou spojeny paralelně. b) Diody jsou spojeny v závěrném směru a rezistory jsou spojeny sériově.
Srovnání světelných zdrojů – klasická a halogenová žárovka
Srovnání světelných zdrojů – LED a zářivka
Př. 3: Srovnejte světelné zdroje z hlediska finančních výdajů pořizovací ceny a provozních nákladů. Potřebujeme svítivost stejnou jako dává 100 W žárovka. Dobu svícení zvolte podle nejdelší životnosti. Za 1 kWh zaplatíme 5 Kč. • Žárovka klasická 100 W, závit E27, životnost 1 000 hod, svítivost 1350 lm, 20 Kč. • Žárovka halogen 75 W, patice E27, halogenová žárovka G9, napětí 230 V, svítivost 1350 lm, životnost 2 000 hod., 35 Kč.
• Úsporná žárovka úsporná zářivka tvar lotos, provedení 24W s paticí E27, životnost 8 000 hodin, 1450 lm, dostupné v barvě žluté 2700 K, 120 Kč. • LED žárovka Inoxled E27, 230V, 9W, 660 lm, teplá bílá, 56 000 h, 450 Kč.
Fotodioda Fotodioda v odporovém režimu (v propustném směru) se chová se jako rezistor citlivý na světlo. Využití podobné jako fotorezistor (ten nemá PN přechod) - měření množství světla apod. Fotodioda v hradlovém (fotovoltaickém) režimu se chová jako zdroj elektrické energie. Osvětlený přechod PN diody je vodivý i v závěrném směru a stává se zdrojem napětí.
Světlo (foton), který dopadá na přechod PN narazí do elektronu ve valenční vrstvě atomu a předá mu svoji energii.
Elektron energii fotonu absorbuje, čímž získá dostatek energie k opuštění valenčního pásu a přeskočí do pásu vodivostního – generuje se pár elektron-díra.
Fotovoltaický panel se skládá z křemíkových destiček, zpravidla o velikosti 12×12 cm. Jejich základem je tenká vrstva s vodivostí typu P, která vznikne rozřezáním křemíkového ingotu na plátky o tloušťce kolem 0,3 mm. Horní strana destičky se pak obohacuje fosforem, čímž vznikne PN přechod. Na každém článku vzniká napětí asi 0,5 V.
Počet článků na panelu je např. 96 (12 řad po 8). Na panelu jsou články zapojené do série napětí panelu 96 0,5 = 48 V 10 panelů zapojíme do série a získáme napětí 480 V. Velikost proudu závisí na množství světla. Př. 4: Jaký výkon budou dodávat výše uvedené panely, protéká-li při max. osvětlení do měniče proud 5 A? 2 400 W
Údaje konkrétního panelu z roku 2012. Výstavba malé fotovoltaické elektrárny na dalších snímcích.
Př. 5: Se kterými polovodičovými součástkami jsme se seznámili? Uveďte, zda mají přechod PN.
Poslední polovodičová součástka, se kterou se seznámíme bude tranzistor se dvěma přechody PN. Jiná součástka - tyristor má tři přechody PN.
3.7 Tranzistor Kromě pasivních komponent jako jsou odpory, kondenzátory, cívky, apod., jsou v elektronice potřeba součástky aktivní, které jsou schopny zesilovat proud. Např. elektrický signál z mikrofonu na zesílený signál do reproduktorů. Tuto funkci plní bipolární tranzistory. Tranzistorové zesilovače mohou zesilovat výkon vstupního signálu v mikrowattech na výstupní signál v kilowattech.
Bipolární tranzistor (řízený proudem) je polovodičová součástka se dvěma přechody PN. Jsou 2 možnosti – PNP nebo NPN. Rozlišují se směrem šipky. (en pé en, šipka ven) Vývody (elektrody) se nazývají emitor, báze, kolektor.
5.226 Při kontrole funkce tranzistoru typu NPN byl ke kolektoru a bázi připojen obvod podle obr. Bude obvodem procházet proud? Odpověď zdůvodněte.
Př. 2: Může v zapojení na obrázku protékat proud? Mohl by protékat, jestliže otočíme polaritu zdroje? Kolektorový obvod je vždy zapojen přes NP přechod nemůže v něm protékat proud. Ic = 0 Připojíme-li další obvod přes společný emitor na bázi, bude přes velký odpor rezistoru protékat malý proud. Ten způsobí, že kolektorovým obvodem začne protékat velký proud.
Např.: Ic = 100 Ib
Zesílený kolektorový proud kopíruje průběh proudu na bázi. Bipolární tranzistor zesiluje proud i napětí. Protože výkon je součin proudu a napětí, může zesílení výkonu dosáhnout i několika desítek tisíc. Např. signál z mikrofonu na signál do reproduktorů.
Tranzistorový jev objevili v roce 1947 J. Bardeen, W. H. Brattain a W. Shockley v Bellových laboratořích (New Jersey, USA). V roce 1956 obdrželi za objev tranzistorového jevu a výzkum polovodičů Nobelovu cenu. Tento objev se považuje za nejvýznamnější fyzikální objev 20. století.
Prostý občan vzal existenci polovodičové techniky na vědomí až 18. října 1954, kdy společnost Texas Instruments uvedla na předvánoční trh malinké rádio Regency TR-1, které mohl mít každý kdekoliv u sebe. Zázrak techniky stál 50 dolarů (dnes by to odpovídalo částce 6 500 korun) a do Vánoc se jich prodalo 100 tisíc kusů. První československé tranzistorové rádio Tesla 2800B T58 vyráběné v letech 1958 až 1960 si až na mírné časové zpoždění nezadalo se zahraničními výrobky. Cena přijímače činila v roce 1959 celých 460 Kčs. Průměrná hrubá měsíční mzda přitom v roce 1960 byla 1 303 Kčs. Dnes jsou mikroskopické tranzistory o velikosti zrníček nejjemnějšího prachu součástí veškeré elektroniky. Vyrábí se technologií označovanou jako 22 nanometrů, tedy 22 miliardtin metru. Pro představu: na tloušťku jednoho lidského vlasu by se vedle sebe dalo nasázet dva tisíce takto malých tranzistorů. Zdroj: http://technet.idnes.cz/tranzistor-65-let-0k8/tec_technika.aspx?c=A121220_143704_tec_technika_kuz
Unipolární tranzistory (řízené elektrickým polem) mají jinou funkci než zesilovat. Jsou to součástky, které dokážou velmi rychle spínat elektrický odvod (miliardkrát za sekundu). Desítky miliónů takových tranzistorů najdeme v počítačích. Př. 3: K čemu je potřeba tak rychlé spínání? Dnes digitalizujeme téměř veškeré informace. Jakoukoliv informaci můžeme vyjádřit pomocí 1 a 0. Sepnutý stav tranzistoru vyjadřuje 1, vypnutý 0.
Tranzistory umožňují s minimální energií rychle spínat, informace zpracovávat, provádět výpočty apod.
Autor prezentace a ilustrací: Ing. Jakub Ulmann Fotografie použité v prezentaci: Na snímku 1: Ing. Jakub Ulmann Na snímku 6: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gediode.jpg?uselang=cs Na snímku 9: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Silicon_covalent_bond.PNG? uselang=cs Na snímku 27: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Conservation_ quantit%C3%A9_mouvement.svg Na snímku 46: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transistorsthree_types.jpg?uselang=cs
Použitá literatura a zdroje: [1] RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika pro gymnázia – Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 2007 [2] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika – Sbírka úloh pro střední školy, Prometheus, Praha 2010 [3] Doc. Dr. Ing. Karel Rauner, Doc. PaedDr. Václav Havel, CSc., RNDr. Miroslav Randa, Ph.D.: Fyzika 9 učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia, Fraus, Plzeň 2007 [4] Mgr. Jaroslav Reichl: Klíč k fyzice, Albatros, Praha 2005 [5] Mgr. Jaroslav Reichl, www.fyzika.jreichl.com [6] Mgr. Martin Krynický, www.realisticky.cz
