Polovodiče ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Polovodiče ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL"

Gabriela Dvořáková
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Polovodiče ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL

2 Jaké znáte polovodiče?

3 Jaké znáte polovodiče? - Např. křemík, germanium, selen,

4 Struktura křemíku Křemík (Si) má 4 valenční elektrony. Valenční elektrony si můžeme představit, že jsou nejdál od jádra atomu (v nejvzdálenější energetické hladině (orbitalu)) a mohou se tak nejsnáze uvolnit.

5 Polovodič typu N (negativní) Pokud přidáme do čistého křemíku se čtyřmi valenčními elektrony prvek s pěti valenčními elektrony (fosfor, arsen nebo antimon), vznikne polovodič typu N. Prvku příměsi, který má o jeden elektron více, říkáme donor (dárce daruje elektron). Čtyři valenční elektrony arsenu se naváží se sousedními atomy křemíku, ale jeden (pátý) elektron partnera nenajde, proto se může velmi snadno uvolnit z vazby s vlastním atomem a pohybovat se prostorem krystalové mřížky. Tyto zbylé volné elektrony dárce zprostředkovávají svým pohybem záporných (negativních) nábojů elektronovou vodivost (nevlastní vodivost typu N).

6 Polovodič typu P (pozitivní) Pokud přidáme do křemíku prvek s třemi valenčními elektrony (bor, hliník, gallium nebo indium), vznikne polovodič typu P. Prvku příměsi, který má o jeden elektron méně, říkáme akceptor (příjemce přijme (akceptuje) do své valenční sféry jeden volný elektron uvolněný teplem). Při použití prvku se třemi valenčními elektrony chybí jeden elektron k tomu, aby se mohla vytvořit kovalentní vazba vytvořená ze čtyř dvojic elektronů. Toto volné místo po chybějícím elektronu se chová jako díra (defektní elektron). Tyto díry cizího atomu způsobují děrovou vodivost polovodiče (nevlastní vodivost typu P)

7 Závislost rezistivity na teplotě Jak již víme, u kovů nám s teplotou vzrůstá rezistivita (měrný elektrický odpor materiálu) - žárovka se rozsvítí => zahřívá se => roste el. odpor => žárovka se zahřívá více => více svítí. U polovodičů však měrný elektrický odpor s rostoucí teplotou klesá.

8 Jak se nazýval rezistor, jehož el. odpor klesal s rostoucí teplotou?

9 Jak se nazýval rezistor, jehož el. odpor klesal s rostoucí teplotou? - termistor typu NTC (negastor)

10 Dioda Dioda je polovodičová součástka. Je vyrobena ze dvou polovodičů rozdílných typů (jeden je P a druhý N). Oblast, kde se setkávají tyto dva polovodiče, se nazývá PN přechod.

11 Jaká je primární funkce diody?

12 Jaká je primární funkce diody? Chybná odpověď: Svítí. Správná odpověď: Propouští elektrický proud pouze v jednom směru.

13 Jak funguje dioda Pro jednoduchost si můžeme představit, že v polovodiči typu N je více elektronů => polovodič typu N bude negativní. U polovodiče typu P budou elektrony chybět => bude pozitivní. Pokud připojíme k polovodiči typu P záporně nabitou svorku zdroje a k polovodiči typu N kladně nabitou, pak negativní náboje polovodiče N budou přitahovány ke kladně nabité svorce a kladné náboje polovodiče P ke svorce záporné.

14 Jak funguje dioda Jelikož se nám přemístí všechny nositelé náboje ke stranám, uprostřed (na PN přechodu) nám nic nepřenáší elektrický náboj =>nemůže protékat elektrický proud. Pokud takto zapojíme diodu, říkáme, že ji zapojujeme v závěrném směru. Pozn.: V reálné praxi nám protéká velmi malý proud i v závěrném směru.

Jak funguje dioda Pokud diodu připojíme obráceně kladnou svorku zdroje k polovodiči typu P a zápornou k polovodiči typu N, diodou začne protékat elektrický proud.

15 Jak funguje dioda Pokud diodu připojíme obráceně kladnou svorku zdroje k polovodiči typu P a zápornou k polovodiči typu N, diodou začne protékat elektrický proud. Elektrony (a díry) se začnou shromažďovat u hradlové vrstvy a ve chvíli, kdy je energie dostatečná, elektron přeskočí (rekombinuje) s dírou => přejde z polovodiče typu N do polovodiče typu P.

16 Jak funguje dioda Elektrony zároveň v polovodiči typu N chybět nebudou budou se doplňovat z el. zdroje. Schematicky poznáme propustný směr diody podle toho, kam ukazuje trojúhelník: Zároveň se můžeme setkat s označením anoda - polovodič typu P katoda - polovodič typu N

17 Prahové napětí a průraz diody Prahové napětí: Prahové napětí je takové napětí, při kterém mají elektrony dostatečnou energii překonat hradlovou vrstvu. Pokud tedy připojíme diodu v propustném směru, ale nastavíme napětí nižší, než je napětí prahové, pak nám diodou proud protékat nebude (elektrony nebudou mít dostatečnou energii na rekombinaci s dírou). Průraz diody: Pokud diodu zapojíme v závěrném směru a budeme postupně zvyšovat el. napětí na vysokou hodnotu, přes diodu začne protékat el. proud. Dojde k tomu, že intenzita el. pole bude příliš vysoká a el. síla začne vytrhávat elektrony z vazeb a vytvářet nové dvojice elektron-díra. Pokud toto nastane, mluvíme o průrazu diody a o průrazovém napětí.

18 VA charakteristika diody Ubr průrazové napětí UF0 prahové napětí IFM maximální proud v propustném směru POZOR! Všimněte si jednotek a měřítek na jednotlivých osách v jednotlivých kvadrantech!!!

LED dioda (light emiting diod) Pokud elektron rekombinuje s dírou, je k tomu potřeba energie (viz.

19 Rozdělení diod Usměrňovací diody Diody, které jsou přímo určené pro usměrňování střídavého proudu. Je žádoucí, aby měly co nejnižší hodnoty prahového napětí a co nejvyšší hodnoty napětí průrazového. LED dioda (light emiting diod) Pokud elektron rekombinuje s dírou, je k tomu potřeba energie (viz. prahové napětí), kterou při rekombinaci ztrácí. Tato energie se vyzáří ve formě světla. Mívají vyšší hodnoty prahového napětí. Příměs, která se do polovodiče přidává, definuje barvu světla (pozn. neplatí u diod s barevnou čočkou (obalem)).

20 Rozdělení diod Fotodiody Když dopadá světlo na fotodiodu, dodávají fotony světla energii elektronům, které jsou vázány na atomy. Ve chvíli, jim světlo dodá dostatečnou energii, uvolní se samy z vazby atomu a zvyšují vodivost => dioda nám začne propouštět elektrický proud i v závěrném směru, pokud na ni dopadá světlo. Využívají se např. k měření osvětlení, v automatizaci => slouží např. k detekci objektu na fotodiodu svítíme laserem, ve chvíli, kdy se mezi fotodiodu a laser dostane předmět, laser na diodu nesvítí => dioda přeruší obvod => detekujeme předmět. Sloužily také ke snímání dat z děrných štítků.

21 Rozdělení diod Zenerova dioda Speciální diody, které jsou konstruovány tak, aby je nepoškodil opakovaný průraz. Využívají se ke stabilizaci napětí v obvodu a zapojují se v závěrném směru => průrazové napětí je jasně dáno, proto dioda bude propouštět el. proud pouze ve chvíli, kdy dojde k průrazu => to vede ke stabilizaci napětí, jelikož při nižším napětí nedojde k průrazu a proud nebude protékat.

Rozdělení diod Varikap (kapacitní dioda) Dioda s hradlovou vrstvou se v závěrném směru chová jako nabitý kondenzátor (dielektrikum tvoří hradlová vrstva), jehož kapacitu je možné regulovat pomocí

22 Rozdělení diod Varikap (kapacitní dioda) Dioda s hradlovou vrstvou se v závěrném směru chová jako nabitý kondenzátor (dielektrikum tvoří hradlová vrstva), jehož kapacitu je možné regulovat pomocí napětí (mění šířku hradlové vrstvy). Jedná se o náhradu ladicích kondenzátorů (zejména v ladicích obvodech). (Schotkyho dioda) (usměrňování probíhá na styku polovodiče a kovu (mají pouze jeden druh polovodiče) menší prahové napětí (typicky 0,3 V místno 0,6 V). Použití v rychlých obvodech (výpočetní technika, radary,..).)

23 Praktické cvičení 1) Změřte elektrický odpor diody v propustném a závěrném směru. Určete, který vývod je připojen k polovodiči N a který k polovodiči P. 2) Změřte VA charakteristiku diody v propustném zapojení. Pozn.: postupujte stejně, jako při měření VA charakteristiky rezistoru, ale začínejte na velmi nízké hodnotě el. napětí (v případě potřeby měřte el. napětí multimetrem je přesnější, než hodnota, kterou vidíte na lab. zdroji). Naměřte dostatečný počet bodů v gradu VA charakteristika nebude lineární potřebujete dostatečný počet bodů v grafu pro vytvoření křivky.

Podobné dokumenty

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009 1. Čím se vyznačuje polovodičový materiál Polovodič je látka, jejíž elektrická vodivost lze měnit. Závisí na