Střední škola stavební Jihlava
Sada 1 - Elektrotechnika 8. Polovodiče - nevlastní vodivost, PN přechod Digitální učební materiál projektu: SŠS Jihlava – šablony registrační číslo projektu:CZ.1.09/1.5.00/34.0284 Šablona: III/2 - inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT
Ing. Jaromír Zdarsa © 2013
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Polovodič typu N • Do čistého křemíku, který je čtyřmocný, se přidá pětimocná příměs (např. arsen As) • Vznikne tak příměsový polovodič. • Atom arsenu má pět valenčních elektronů, ale poslední z nich je velmi slabě vázán. • Proto se již při nízkých teplotách uvolní a stane se volným. • Na jeho místo k atomu arsenu se však nemůže navázat žádný jiný elektron, protože vazba je na to příliš slabá (arsen ho "nechce"). • Atomy arsenu se stanou nepohyblivými kladnými ionty.
Příměsový polovodič s pětimocnou příměsí
• Díky každému atomu arsenu tak vznikne jeden elektron, ale žádná díra. • Takovýto polovodič má tedy více elektronů než děr (páry elektron díra samozřejmě vznikají z atomů křemíku stejně jako u vlastního polovodiče ) a nazývá se polovodič s elektronovou vodivostí neboli polovodič typu N. • Elektrony se nazývají majoritní (většinové) nosiče náboje, díry minoritní Polovodič typu N - již při nízké (menšinové) nosiče. teplotě se uvolní pátý elektron od atomu arsenu • Atomy příměsi (zde As) se nazývají donory ("darují" elektron).
Energetické pásy polovodiče typu N • V čistém (vlastním) polovodiči musí elektron z valenčního pásu dostat energii rovnou minimálně šířce zakázaného pásu, aby se stal volným. • Tím, že nyní do krystalu přidáme příměs, se podoba energetických pásů změní. • Nejslaběji vázaný elektron v atomu arsenu má energii blízkou horní hranici zakázaného pásu (nachází se na tzv. donorové hladině) • (zakázaný pás je "zakázaný" pro krystal čistého křemíku) a tudíž na to, aby se dostal do vodivostního pásu, potřebuje mnohem menší energii než elektrony z valenčního pásu. Proto se již při nízké teplotě stane volným.
Energetické pásy pro polovodič typu N
Polovodič typu P • Druhou možností, jak zvýšit počet volných elektronů v křemíkovém polovodiči, je přidat do čistého křemíku atomy trojmocného prvku (např. indium In). • Indium má jen tři valenční elektrony, ale velmi snadno naváže ještě jeden další elektron (který se ocitnul ve vodivostním pásu při generaci páru elektron - díra). • Potom ho již "nepustí", takže se z atomu india stane nepohyblivý záporný iont . • Nazývá se proto akceptor (příjemce).
Příměsový polovodič s třímocnou příměsí
• Díky každému atomu india vznikne jedna volná díra, ale žádný elektron. • V takovémto polovodiči je tedy více děr než elektronů. • Je to polovodič s děrovou vodivostí neboli polovodič typu P. Díry se nazývají majoritní (většinové) nosiče náboje, elektrony minoritní (menšinové) nosiče.
Polovodič typu P atom příměsi přijme elektron a vytvoří se tak volná díra
Energetické pásy polovodiče typu P • Podoba energetických pásů se oproti vlastnímu polovodiči opět změní. • Tentokrát přibude tzv. akceptorová hladina, na kterou mohou přecházet elektrony z valenčního pásu. • Akceptorová hladina se nachází v dolní části zakázaného pásu, takže elektrony z valenčního pásu tam mohou velmi snadno přejít. • Po nich pak zůstávají volné díry.
Energetické pásy pro polovodič typu P
I velmi malé množství příměsových atomů v čistém polovodiči zvyšuje jeho vodivost velmi značně!!!
PN přechod - dioda Polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P a s částí typu N.
: Situace na PN přechodu v okamžiku jeho vytvoření
Difuzní napětí • Protože v blízkosti přechodu je velký gradient (spád, změna) koncentrace děr i elektronů, pronikají elektrony do části P a díry do části N a vzájemně rekombinují. • Tímto způsobem volné částice s nábojem mizí z oblasti přechodu a začíná se projevovat difuzní elektrické pole Ed vytvářené ionty příměsí. • Další elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu, neboť jim v tom brání vytvořené elektrické pole. • Oblast u přechodu, která neobsahuje volné částice s nábojem, se nazývá hradlová vrstva
PN přechod v rovnovážném stavu
PN přechod v propustném směru • Nyní připojme na PN přechod vnější napětí s kladným pólem na P a záporným na N. • Toto vnější napětí vytváří vnější intenzitu elektrického pole E, která má směr proti intenzitě Ed. • Bude-li tedy vnější intenzita E větší než Ed (přiložené napětí bude dostatečně velké), bude mít celková intenzita směr od P k N, kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem k přechodu a přes přechod bude procházet elektrický proud. • PN přechod je zapojen v propustném směru
PN přechod zapojený v propustném směru
PN přechod v závěrném směru • Nyní naopak přiložme napětí na přechod s opačnou polaritou, tj. kladným pólem na N. • Intenzita vnějšího pole E a intenzita Ed mají stejný směr a "odtlačují" volné elektrony a díry ještě dále od přechodu. • Přes přechod může téci jen proud způsobený minoritními nosiči, který je malý. • Přechod je zapojen v závěrném směru
Polovodičová dioda • Je to součástka využívající vlastností PN přechodu. • Vede proud pouze při jedné polaritě napětí. (+ na anodě) • Anoda – polovodič typu P • Katoda – Polovodič typu N
Anoda
Katoda
Schematická značka diody
Voltampérová charakteristika diody
Několik typů usměrňovacích diod
Využívá se: v usměrňovačích nelineární charakteristiky lze využít při směšování signálů otevřený přechod jako zdroj napětí při jeho osvětlení – základní prvek fotovoltaických panelů LED diody Laserové diody Zenerovy diody pro stabilizaci napětí
Zdroje: Literatura: CHLUP J. – KESZEGH L.: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL 1989, 321 3006 http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/index.html http://elektross.gjn.cz/index.html http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k31.htm# model http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/diody.htm Solid Team Olomouc: Elektro v praxi 1, určeno pro přípravu na zkoušky a využití v praxi, 2012
Materiál je určen k bezplatnému používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je : Ing. Jaromír Zdarsa Pokud není uvedeno jinak, byly při tvorbě použity volně přístupné internetové zdroje. Autor souhlasí se sdílením vytvořených materiálů a jejich umístěním na www.ssstavji.cz.
