VY_32_INOVACE_06_III./2._Vodivost polovodičů

Transkript

1 VY_32_INOVACE_06_III./2._Vodivost polovodičů

2 Vodivost polovodičů pojem polovodiče čistý polovodič, vlastní vodivost příměsová vodivost polovodičová dioda tranzistor

3 Polovodiče Polovodiče jsou látky, jejichž vodivost je větší než vodivost izolantů a menší než vodivost vodičů. Mezi nejznámější polovodiče patří prvky IV. A skupiny (germanium Ge, křemík Si).

4 Vodivost Polovodičů kovy - s rostoucí teplotou roste odpor polovodiče - s rostoucí teplotou většinou odpor klesá elektrické vlastnosti záleží na dalších podmínkách (teplota, záření, příměsi)

5 Vodivost polovodičů křemík má 4 valenční e - Vlastní vodivost (vodivost čistých polovodičů) Valenční elektrony atomů vytvářejí elektronové páry se sousedními atomy v krystalické mřížce. Elektrony se z vazby mohou uvolňovat, získají-li dostatečnou energii např. zahřátím, dopadajícím zářením: - vznikají páry záporných a kladných nosičů náboje elektrony a díry => generace nosičů náboje Při nízkých teplotách žádný elektron tuto energii nemá a látka je elektricky nevodivá.

6 Vlastní vodivost - generace páru elektron díra - rekombinace: zánik páru elektron díra Při stálé teplotě jsou generace a rekombinace v rovnováze. Zapojíme-li polovodič do el. obvodu, vzniká v něm el. pole, které způsobuje uspořádaný pohyb děr k zápornému pólu zdroje a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný proud je součtem proudu elektronového a děrového: I = I e + I d I e = I d

7 Příměsová vodivost polovodič typu N, elektronová vodivost polovodič typu P, děrová vodivost

8 Příměsové polovodiče vodivost typu N: Poruchu mřížky vyvoláme dodáním atomů prvků V. skupiny (fosfor P, arsen As). Z pěti valenčních elektronů příměsí se jen čtyři uplatní v kovalentní vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny.

9 Příměsové polovodiče Zbývající páté elektrony jsou k příměsím vázány jen slabě a již při nízkých teplotách se volně pohybují krystalem. Z příměsí se stávají kladné nepohyblivé ionty, které nazýváme donory (dárce). V takto upraveném krystalu je mnohem více volných elektronů než děr, které vznikají až generací. Převládá tedy elektronová vodivost. Elektrony proto označujeme jako většinové (majoritní) nosiče náboje a díry jako nosiče menšinové (minoritní).

10 vodivost P: Pokud použijeme jako příměsi atomy prvků III. skupiny (bor B, indium In, hliník Al), obsadí tato příměs svými elektrony jen tři vazby se sousedními atomy prvku IV. skupiny. Vznikne díra, která však může být snadno zaplněna přeskokem elektronu od sousedního atomu. Třímocné příměsi se stávají nepohyblivými zápornými ionty. Nazýváme je akceptory (příjemce). Vytvořené díry se v polovodiči volně pohybují a tvoří zde majoritní nosiče náboje, minoritními nosiči jsou elektrony.

11 Polovodičové součástky Nejjednodušší polovodičové součástky jsou termistory a fotorezistory. termistory elektrický odpor se zmenšuje zahřátím, za pokojové teploty jsou nevodivé fotorezistory elektrický odpor se zmenšuje osvětlením

12 Polovodičové součástky Polovodičová dioda je součástka s dvěma vývody připojenými ke krystalu polovodiče s jediným přechodem PN. Vývod spojený s oblastí typu P se nazývá anoda, vývod spojený s oblastí typu N je katoda.

13 Polovodičová dioda

14 Přechod PN Polovodičová dioda Spojí-li se polovodiče typu P a N, vytvoří se na jejich rozhraní PN přechod.v místě styku obou polovodičů dojde k difúzi děr z polovodiče typu P do N a elektronů z polovodiče typu N do P a následně k rekombinaci. Vytvoří se dynamická rovnováha a na rozhraní obou polovodičů vznikne vnitřní elektrické pole. V oblasti přechodu nejsou vlivem rekombinace žádné volné elektricky nabité částice.

15 Polovodičová dioda

16 Přechod PN Polovodičová dioda Pokud připojíme polovodič typu P ke kladnému pólu zdroje a polovodič typu N k zápornému, dochází v polovodiči typu P k tvorbě děr a do polovodiče typu N jsou dodávány elektrony. Vnějším polem (vytvořeno zdrojem el. napětí) jsou díry z oblasti P a elektrony z oblasti N uvedeny do pohybu směrem k přechodu, což umožňuje pokračování rekombinace a tím průchod proudu. Díry mohou jít k do N a elektrony k + do P. V tomto případě je PN přechod zapojen v propustném směru.

17 Propustný směr

18 Pokud zapojíme PN přechod obráceně, k vytváření děr, dodávání elektronů a rekombinaci na PN přechodu nedochází, tzn. proud neprochází. Díry jdou k, proto zůstávají v P, stejně elektrony jdou k +, proto zůstávají v N. Říkáme, že PN přechod je zapojen v závěrném směru.

19 . PN přechod má tedy vlastnost propouštět proud pouze jedním směrem (diodový jev).

20 Vlastnosti polovodičové diody a její využití propouští proud pouze jedním směrem (působí jako elektrický ventil, využití jako pojistka proti obrácení polarity zdroje) slouží k usměrňování střídavého proudu (usměrňovače) usměrňování vysokofrekvenčních proudů (demodulátory)

21 Voltampérová charakteristika polovodičové diody Voltampérová charakteristika polovodičové diody je graf závislosti proudu, který prochází diodou, na přípojném napětí. U F0 je prahové napětí, U BR je průrazné napětí, U Z je Zenerovo napětí.

22 U F0 (prahové napětí) proud je zpočátku velmi malý a teprve po dosažení určitého prahového napětí U F0 začíná rychle růst U BR (průrazné napětí) v závěrném směru (usměrňovací dioda), procházející proud je velmi malý, napětí na usměrňovací diodě nesmí překročit průrazné napětí U BR, jinak by došlo k prudkému růstu proudu a ke zničení diody U Z (Zenerovo napětí) v závěrném směru (stabilizační dioda), stabilizační dioda je vyrobena tak, aby mohla v závěrném směru pracovat i po překročení průrazného napětí U Z

23 TRANZISTOR polovodičová součástka se dvěma přechody PN - typy: tranzistor PNP nebo NPN - střední část se nazývá báze a přechody PN ji oddělují od oblastí s opačným typem vodivosti kolektoru a emitoru - využití: jako zesilovač (přivedeme napětí na bázi tranzistoru dojde k vyzdvižení elektronů polovodiče do vodivostního pásu = přechod NPN se stane vodivý - kolektorový proud je mnohem větší než proud bázový = velmi malé napětí v obvodu báze vyvolá proud, který je příčinou vzniku značného proudu v obvodu kolektorovém

24 => tomuto jevu se říká tranzistorový jev tyristor polovodičová součástka se 3 PN přechody (bezkontaktní spínání obvodu) čip obvod složený z polovodičových součástek a vytvořený na společné destičce integrovaný obvod v čipu je vytvořen celý funkční elektronický systém obsahující velké množství tranzistorů, diod, rezistorů tvoří jediný obvodový prvek

25 SCHÉMA TRANZISTORU C B C - BÁZE - vodivost typu P - KOLEKTOR - vodivost typu N B E - EMITOR - vodivost typu N E TRANZISTOR TYPU NPN C BÁZE - KOLEKTOR - vodivost typu N vodivost typu P B EMITOR - vodivost typu P E TRANZISTOR TYPU PNP