Zvyšování kvality výuky technických oborů Klíčová aktivita V. 2
Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol Téma V. 2.3
Polovodiče a jejich využití Kapitola 3 Nevlastní vodivost Bc. Radim Miksa
30. 9. 2012
Obsah ÚVOD - ANOTACE ..................................................................................................................................... 1 1
NEVLASTNÍ VODIVOST ........................................................................................................................ 2 1.1
POLOVODIČE TYPU N ............................................................................................................................ 2
1.2
POLOVODIČE TYPU P............................................................................................................................. 3
1.1
KONTROLNÍ OTÁZKY .............................................................................................................................. 3
2
DOPORUČENÁ LITERATURA ................................................................................................................ 4
3
POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE......................................................................................................... 5
4
SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................................................. 6
Úvod - anotace Výukový materiál se zabývá nevlastní vodivostí polovodičových materiálů, jejich charakteristikou a rozdělením. Výklad je na konci kapitoly doplněn kontrolními otázkami. Tento materiál je především určen pro 2. a 3. ročník oboru 39-41-L/01 Autotronik. Cílem tohoto materiálu je podpora zvládnutí daného výukového celku v předmětu Aplikovaná elektronika (AEL) a seznámení studentů se základními pojmy z oblasti polovodičové techniky. Po prostudování všech kapitol by měl student být schopen základní orientace v oblasti polovodičových součástek a jejich aplikací.
1
1
Nevlastní vodivost
Pro praktické využití je ovšem hustota volných elektronů a děr malá a je proto nutné zvýšit množství volných elektronů nebo děr. To znamená přidat prvek s větším počtem valenčních elektronů nebo s menším než má křemík. Ve vlastním polovodiči je koncentrace volných elektronů a koncentrace děr při tepelné rovnováze stejná a je závislá pouze na teplotě. Tuto podmínku splňují pouze čisté polovodiče, které neobsahují žádné nečistoty. V praxi mají největší využití tzv. nevlastní polovodiče, jejichž krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí. Vlastnosti polovodičů jsou totiž silně závislé na příměsích a vhodným výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).
1.1
Polovodiče typu N
Polovodiče typu N (N – negativní) využívají tzv. elektronové vodivosti. Při dotování čistého polovodičového materiálu pětimocnými látkami, jako jsou fosfor, arsen, nebo antimon, dochází k jejich střídavé vazbě se sousedními atomy křemíku, nebo germania. Pátý valenční elektron nenajde partnera, a proto se může velmi snadno uvolnit z vazby s vlastním atomem. Pokud se tak stane a v atomu začnou převládat protony, tak potom atom se snaží zachytit nějaký letící elektron, aby se jeho náboj vyrovnal. Elektrony putují od jedné díry ke druhé směrem ke kladnému pólu zdroje napětí. Protože transport náboje v polovodičovém materiálu, který je dotován DONORY což jsou dárci elektronů, probíhá pomocí volných elektronů, je takovýto polovodičový materiál označovaný jako negativně vodivý.
Obrázek 1 - křemík s příměsí pětimocného fosforu
2
1.2
Polovodiče typu P
Polovodiče typu P (P – pozitivní) se naopak dotují trojmocnými prvky (resp. podotování polovodičového materiálu se teprve vytvoří polovodič typu P), jako je například bór, hliník, galium nebo indium. Prvku příměsi, který má o jeden elektron méně, říkáme AKCEPTOR. V krystalové mřížce čistého polovodičového materiálu tedy dojde k náhradě jednoho atomu za atom cizího prvku. Protože má ale tento dotovací atom cizího prvku pouze tři valenční elektrony, vznikne díra, která je ale zaplněna elektronem sousedního atomu v rámci tepelného vytváření páru elektron-díra, aby byla vytvořena kovalentní vazba. V tomto sousedním atomu se zase vytvoří díra, která je zase zaplněna elektronem dalšího sousedního atomu. Takto díry, které představují kladné elementární náboje, putují pod vlivem vnějšího elektrického pole k zápornému pólu zdroje elektrického napětí. Proto tuto vodivost označujeme jako děrovou vodivost.
Obrázek 2 - křemík s příměsí trojmocného india
1.3
Kontrolní otázky 1. Co to znamená nevlastní vodivost? 2. Co se stane s krystalovou mřížkou u nevlastních polovodičů? 3. Jaké máme typy vodivosti? 4. Charakterizujte vodivost typu N? 5. Kolika mocnými prvky se dotují polovodiče typu P? 6. Jak říkáme prvku příměsi, který má o jeden elektron méně? 7. Co jsou to Donory? 8. Vyjmenujte některé příměsové prvky.
3
2
Doporučená literatura 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku I. 1. vyd. České Budějovice: Kopp, 1994. 173 s. ISBN 80-858-2817-0. 4. BEZDĚK, Miloslav. Elektronika: učebnice. 3. vyd. České Budějovice: Kopp, 2008. ISBN 978-80-7232-359-32. 5. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9.
4
3
Použitá literatura a zdroje 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9.
5
4
Seznam obrázků
OBRÁZEK 1 - KŘEMÍK S PŘÍMĚSÍ PĚTIMOCNÉHO FOSFORU ..................................................................................................... 2 OBRÁZEK 2 - KŘEMÍK S PŘÍMĚSÍ TROJMOCNÉHO INDIA ......................................................................................................... 3
6
