Druhy materiálů, princip vedení, vakuovaná technika. Ing. Viera Nouzová

Transkript

1 Druhy materiálů, princip vedení, vakuovaná technika Ing. Viera Nouzová

2 Rozdělení látek z hlediska vodivosti vodiče měď (Cu), stříbro (Ag), zlato(au)-vedou dobře elektrický proud izolanty sklo, porcelán plasty, papír, guma - nevedou elektrický proud polovodiče - křemík (Si), germánium (Ge), včetně příměsí a některých sloučenin Polovodiče jsou látky, které vedou elektrický proud za určitých podmínek. Například vlivem teploty, elektrického pole, napětí, nebo světla.

3 Vedení v kapalinách a plynech Elektrický proud v plynech normálně nevede podmínky musí způsobit vznik volných částic s elektrickým nábojem-elektronů podmínky způsobující vedení např: silné elektrické pole, vysoká teplota, nízký tlak Jiskrový výboj- způsobí ionizaci plynu Elektrický výboj Blesk Elektrický proud v kapalinách (elektrolyt) je možný jen tehdy, vyskytují-li se v kapalině volné částice s elektrickým nábojem elektrony, ionty (štěpením molekul) Kationty (+) v elektrolytu pohyb ke katodě (- elektroda), Anionty(-) pohyb k Anodě(+) Použití: galvanické články, baterie Průchodem elektrického proudu v kapalinách dochází k chemickým změnám na elektrodách - Elektrolýza

4 Vedení v kapalinách např. Voltův článek galvanický článek tvoří jej zinková a měděná elektroda ve zředěné kyselině sírové získané napětí je 1V elektrické napětí vzniká i mezi jinými kovy umístěnými ve vhodném elektrolytu

5 Vnitřní struktura atomu každý atom obsahuje kladně nabité jádro záporně nabité elektrony krouží kolem jádra elektrony se pohybují po vnějších valenčních drahách u Ge a SI jde o čtyři elektrony umožňují vazbu s jinými atomy mohou opustit svá jádra a vyvolat svým pohybem elektrický proud nazýváme je valenční, kdežto zbývající elektrony označujeme jako vnitřní Viz obr.: Uspořádání atomu Zdroj: 2

6 Vlastní vodivost polovodiče vlivem vnějšího působení - elektrického pole, tepla, světla, vyražením jinou částicí - můžeme vytrhnout vázaný elektron z valenční sféry uvolněný elektron může způsobit vlastní vodivost polovodiče tzv. vodivost elektronů vytržením elektronu vznikne nehmotná mezera díra (+) - tzv. generace páru tzv. děrová vodivost do díry může zapadnout elektron (-) tzv. rekombinace díry i elektrony se mohou pohybovat Princip viz obr. Krystalová mřížka Ge Zdroj: 2

7 Nevlastní vodivost typu N vodivost elektronů(-) vložením do Ge atom arsenu As (5 valenčních elektronů) vznikne jeden volný elektron navíc, který je volný příměsi ( např. As), které dodávají volné elektrony se jmenují DONORY Polovodiče s přebytkem elektronů se nazývají polovodiče typu N. Princip vzniku polovodiče typu N viz obr.: Zdroj: 2

8 Nevlastní vodivost typu P vodivost děr (+) vložením do Ge atom india In (3 valenční elektrony) bude jeden volný elektron chybět, vznikne nehmotná (+) díra příměsi (např. In), které způsobují nedostatek elektronů přebytek děr se jmenují AKCEPTORY polovodiče s nedostatkem elektronů s přebytkem děr se nazývají polovodiče typu P Princip vzniku polovodiče typu P viz obr.: Zdroj: 2

9 Přechod PN - princip spojení polovodičů typu N a typu P nastane v místě spoje difúze (pronikání) obou druhů částic po chvíli difúzní proud skončí rekombinací (umístěním elektronů do volných děr) a vznikne neutrální pásmo vyprázdněná zóna - přechod PN viz obr.: Přechod PN zdroj 2

10 Rozdělení polovodičových prvků bez přechodu PN - termistory, fotorezistory, varístory, Hallovy články s jedním přechodem PN - diody (hrotové, plošné) se dvěma přechody PN - tranzistory (bipolámí, unipolární - FET) se třemi přechody PN - tyristory se čtyřmi přechody PN - tríaky s více přechody PN - integrované obvody (analogové, digitální)

11 Otázky a úlohy 1. Jak rozdělujeme látky dle vodivosti? Vyjmenujte alespoň 2 druhy látek na každý druh vodivosti. 2. Vyjmenujte alespoň 2 podmínky za kterých vede polovodič elektrický proud. 3. Jak vzniká vlastní vodivost polovodiče? 4. Vysvětlete princip vodivostí typu N a P. 5. Co způsobuje vodivost typu N a co typu P? 6. Co je to donor a co akceptor?

12 Polovodiče bez přechodu PN Jsou to polovodičové součástky, jejichž vlastnosti (např. odpor) se mění v závislosti na teplotě, osvětlení, přiloženém napětí, nebo magnetickým polem. Polovodičové elektronické prvky bez přechodu PN: termistor elektronický prvek odpor se mění s teplotou fotorezistor - odpor se mění s osvětlením varistor odpor se mění dle přiloženého napětí Hallův článek - odpor se mění magnetickým polem

13 Termistory - teplotně závislé odpory u nichž se vzrůstající teplotou odpor klesá pozistor je termistor jehož odpor s teplotou roste obr.: Značka termistoru, zdroj: 2 Použití: měření rychlosti proudění kapalin a plynů ochrana žhaveni elektronek nebo žárovek přesné a rychlé měřeni teploty (rozměr perličkového termistoru je velmi malý ) termistor v sérii se žhavícími vlákny má při zapnutí velký odpor - ke stabilizaci pracovního bodu tranzistoru

14 Fotorezistory - mění svůj odpor s osvětlením využívají tzv. fotoefekt (vnitřní fotoelektrický jev) Fotoefekt je vlastnost některých látek, např. selenu, že při osvětlení uvolňují elektrony, ty ale nejsou emitovány, ale zůstávají uvnitř hmoty čím více světla, tím více uvolněných elektronů a tím menší odpor součástky VYUŽITÍ FOTOREZISTORŮ obr. Značka fotorezistoru zdroj: 2) měřeni a regulace sluneční zdroje sluneční pohony

15 Princip fotočlánku dáme-li pod fotorezistor destičku z mědi, budou uvolněné elektrony přecházet přes vytvořenou hradlovou vrstvu mezi mědí a polovodičem do mědi toto je princip fotočlánku, který přeměňuje světelnou energii přímo na elektrickou - viz obr. zdroj 2

16 Varistory - odpor závislý na přiloženém napětí jsou polovodičové součástky bez přechodu PN, u kterých je odpor závislý na přiloženém napětí při výrobě varistoru se používá karbid křemíku Využití varistoru: stabilizace napětí, ochrana proti přepětí (ventilová bleskojistka). Značka varistoru viz obr. zdroj: 2

17 Hallovy články - princip odpor (napětí) závisí na intenzitě magnetického pole kovový vodič napájený stejnosměrným proudem je umístěn v magnetickém poli kolmo na směr proudu a kolmo na směr magnetického pole vzniká ve vodiči malé napětí - tzv. Hallovo napětí je to výsledek působení magnetického pole na pohybující se vodič Nahradíme-li vodič polovodičem - Hallovo napětí bude výraznější - viz obr. Princip Hallova článku zdroj: 2

18 Hallovy články Použití: měření magnetických veličin, měření velkých stejnosměrných proudů, bezkontaktní spínače atd.

19 Otázky a úlohy 1. Jak é znáte elektronické prvky bez přechodu PN? 2. Který z elektronických polovodičových prvků bez přechodu PN má odpor závislý na teplotě? K čemu se využívá? 3. Který z elektronických polovodičových prvků bez přechodu PN má odpor závislý na přiloženém napětí? K čemu se využívá? 4. Který z elektronických polovodičových prvků bez přechodu PN má odpor závislý na magnetickém poli? K čemu se využívá? 5. Vysvětlete princip fotočlánku. 6. Který z elektronických polovodičových prvků bez přechodu PN má odpor závislý na světle? K čemu se využívá?

20 Elektronky elektronické vakuované součástky vedení elektrického proudu uskutečňuje ve vakuu princip - tepelná emisi (vysílání) elektronů z elektrody K(-) - katody do A(+) - anody vlivem tepla se z rozžhavené katody(-) se emitují elektrony(-) do anody(+) katodou je zde niklová trubička, která má uvnitř žhavicí vlákno od katody izolované ( = tzv. nepřímo žhavena katoda) obr. Konstrukční uspořádání diody zdroj: 2

21 DIODA - nejjednodušší elektronka A, K přímo žhavená - značka viz obr. a) zdroj: 2 nepřímo žhavená - značka viz obr. b) zdroj: 2 VA charakteristika nelineární závisí značně na teplotě katody při určité hodnotě anodového napětí (Us) dochází vlivem záporného prostorového náboje elektronů k nasycenému stavu viz obr. zdroj: 2

22 TRIODA je elektronka se třemi elektrodami jako třetí elektroda je mezi K (-) katodu a A (+) anodu vložena řídící mřížka G bude-li na této mřížce G(-) záporné napětí UG vůči katodě K(-), bude elektrony odpuzovat a anodový proud IA bude klesat tím víc, čím bude záporné napětí větší malé napětí na mřížce může řídit velký anodový proud znamená to, že trioda pracuje jako zesilovač

23 TRIODA značka, VA charakteristika značka triody viz obr. zdroj: 2 VA charakteristiky triody znázorňují závislost anodového proudu na napětí mezi anodou a katodou (při konstantním napětí řídicí mřížky) pro každé napětí mřížky platí jedna příslušná VA charakteristika viz obr. zdroj: 2 Využití: trioda byla nahrazena tranzistorem

24 PENTODA je elektronka s pěti elektrodami grafická značka - viz obr. zdroj: 2 přidáním dalších dvou mřížek: stíníci a hradicí oproti triodě mřížky ovlivňují tok elektronů mezi katodou anodou linearita znamená menší zkreslení signálu při jeho zesílení je patrná větší linearita křivek závislosti IA na UAK než tomu bylo u triody viz obr. VA charakteristiky pentody zdroj: 2

25 Použití PENTODY ve výkonovém zesilovači koncového stupně vysílače, nově ve speciálních Hi - Fi přijímačích v (NF) nízkofrekvenčních zesilovačích

26 OBRAZOVKA je elektronka, kde se emitované elektrony soustředí do úzkého paprsku, který po dopadu na stínítko vyvolá světélkování v luminoforu luminofor je látka, která po dopadu elektronů uvolňuje fotony luminoforem je natřeno zevnitř stínítko obrazovky, takže dopad elektronového paprsku je vně viditelný soustava katoda a řídicí mřížka se nazývá elektronová tryska obrazovka je jediná elektronka, která se ve velkém měřítku používá

27 Princip obrazovky osciloskopu viz obr. zdroj: 2

28 Princip vychylování paprsku vychylování elektronového paprsku pomocí dvou párů vychylovacích destiček - elektrostatické vychylování - osciloskop vychylování pomocí napětí přivedeného na vychylovací destičky se používá v osciloskopech obrazovkách televizních, nebo v monitorech počítačů se používá vychylování elektromagnetické - jsou zde dva páry vychylovacích cívek poměrně slabé magnety vychýlí paprsky umožňuje vyrábět kratší obrazovky princip viz obr. zdroj: 2

29 Princip černobíle televizní obrazovky viz obr. zdroj 2

30 Úkoly, otázky 1. Co je to elektronka? 2. Co je anoda, katoda, mřížka a k čemu slouží? 3. Vysvětlete princip elektronky. Jakým způsobem dochází k toku elektronů. 4. Co je anoda, katoda, mřížka a k čemu slouží? 5. Jaké známe elektronky? 6. Nakresli značku diody, její VA charakteristiku, vysvětlete princip. 7. Dle obrázku vysvětlete princip obrazovky. 8. Jaký je rozdíl mezi elektrostatickým a elektrodynamickým vychylováním?