17. Elektrický proud v polovodiích, užití polovodiových souástek

Transkript

1 17. Elektrický proud v polovodiích, užití polovodiových souástek Polovodie se od kov liší pedevším tím, že mají vtší rezistivitu (10-2.m až 10 9.m) (kovy 10-8.m až 10-6.m). Tato rezistivita u polovodi s rostoucí teplotou rychle klesá, zatímco u kov roste: Mezi polovodie patí nap. prvky Si, Ge, C(grafit), Se, Te, sloueniny PbS, CdS, i nkteré organické polovodi sloueniny, nap. hemoglobin a chlorofyl. Nejvtší praktické uplatnní má Si a Ge. kov T Nosie el. náboje v polovodiích elektrony (záporný náboj) a díry (prázdná místa po uvolnných elektronech kladný náboj) Vodivost polovodi: 1. vlastní Napíklad kemík je tymocný (má 4 valenní elektrony) a jeho atomy jsou uspoádány v krystalové mížce. Pi nízkých teplotách jsou valenní elektrony siln poutány v mížce, kemík proud nevede. Pi zahátí se ionty v krystalové mížce rozkmitají a dochází k uvolování valenních elektron. Opustí-li elektron své místo v mížce (na obr. šipky), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá "díra" a chybjící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný (na obr. vyznaen mode). Do "díry" mže peskoit jiný elektron z krystalové mížky a doplnit chybjící záporný náboj. Dojde k rekombinaci. Kladná "díra" se však objeví na míst, odkud elektron peskoil, vypadá to tedy, jako by se "díry" sthovaly v krystalové mížce z místa na místo. Pi vlastní vodivosti se elektrony a díry podílejí na vodivosti stejn. 2. pímsová a) Vodivost typu N (negativní): V krystalu kemíku jsou nkteré atomy nahrazeny ptimocnými atomy, nap. arzenu. Jejich tyi valenní elektrony se úastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slab vázané a již pi nízkých teplotách se stanou volnými elektrony. V kemíku s pímsí ptimocného prvku (íká se mu donor) je nadbytek volných elektron, které po pipojení ke zdroji zpsobují jeho elektronovou vodivost typu N.

2 b) Vodivost typu P (pozitivní): Zabudují-li se do krystalové mížky atomy trojmocného prvku se temi valenními elektrony, nap. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V míst nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" mže zaplnit elektron z nkteré jiné vazby a "díra" se v krystalu pesune na jeho místo. Píms trojmocného prvku (íká se mu akceptor) vytváí v krystalu kemíku nadbytek kladných "dr", které po pipojení ke zdroji zpsobují jeho drovou vodivost typu P. Diodový jev a jeho užití (usmrova): Nejvtší využití v elektronice má pechod PN. Nazývá se tak oblast styku dvou polovodi s opaným typem vodivosti. Pechod PN má tu vlastnost, že v jednom smru jím proud mže procházet, zatímco v opaném smru nikoli. Vysvtlení spoívá v tom, že polovodi typu N obsahuje ve své krystalové mížce voln pohyblivé záporné elektrony, polovodi typu P má v krystalové mížce voln pohyblivé kladné "díry". Pechod PN: a) Bez zdroje naptí: V oblasti styku obou polovodi se ást elektron z oblasti N dostane do oblasti P a ást "dr" z oblasti P pejde do oblasti N. Volné elektrony rekombinují s "drami", takže kolem pechodu PN se vytvoí nevodivá oblast bez volných náboj (na obrázku vyznaena šedou barvou). b) Závrný smr: Pipojíme-li k polovodii P záporný pól a k polovodii N kladný pól zdroje, vzdalují se psobením elektrických sil volné náboje od pechodu PN, oblast bez volných náboj se rozšíí, její odpor vzroste a elektrický proud pechodem PN nemže procházet. Nevodivé oblasti bez volných náboj íkáme hradlová vrstva. c) Propustný smr: Zmníme-li polaritu pipojeného zdroje, pecházejí psobením elektrických sil volné elektrony pes pechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou pitahovány k zápornému pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu. Takto zapojeným pechodem PN proud prochází.

3 Popsaný jev, pi kterém závisí odpor pechodu PN na polarit pipojeného zdroje, nazýváme diodový jev. Prvek s jedním pechodem PN je nejjednodušší polovodiovou souástkou - je to polovodiová dioda. Polovodi P je pipojen k elektrod nazývané anoda, polovodi N je pipojen ke katod. Na obrázku je znázornn vztah mezi strukturou diody (vlevo) a její schématickou znakou. Na dalším obrázku je schéma jednoduchého diodového jednocestného usmrovae. Ze stídavého proudu získáme po prchodu diodou pulzující stejnosmrný proud. Pozn. Píkladem složitjšího zapojení polovodiových diod je dvoucestný usmrova (využívá se obou polovin periody stídavého naptí) realizace : 2 dvojice diod - GRAETZOVO ZAPOJENÍ - výstupní naptí pulsuje s dvojnásobnou frekvencí - k vyhlazení se používají složitjší filtry složené z kondenzátor, rezistor, tlumivek,.. Tranzistory Tranzistor je polovodiová souástka se temi elektrodami - emitorem E, bází B a kolektorem K. Vyrábí se ve dvou modifikacích: NPN (emitor je polovodi typu N, báze je vrstvika polovodie typu P a kolektor je opt polovodi typu N PNP (emitor je polovodi typu P, báze je vrstvika polovodie typu N a kolektor je opt polovodi typu P

4 Rozdíl mezi tranzistorem typu NPN a typu PNP spoívá v podstat jen v opané polarit pi jejich napájení. Tranzistory jsou v obvodech zapojeny temi možnými zpsoby: "se spolenou bází", "se spoleným kolektorem" nebo "se spoleným emitorem". Poslední zapojení je v elektronických pístrojích nejastjší. Tranzistor typu NPN v zapojení se spoleným emitorem pracuje takto: vstupní elektrodou je báze a výstupní elektrodou je kolektor. Obvod báze je tvoen pechodem báze - emitor a je zapojen v propustném smru. Kolektorový obvod je tvoen obma pechody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen v závrném smru. Báze je tedy pipojena k malému kladnému naptí a kolektor k velkému kladnému naptí. Jestliže k bázi pipojíme zdroj malého vstupního naptí (napíklad z mikrofonu nebo magnetofonové hlavy), pecházejí elektrony z emitoru do báze (propustný smr), ale vtšina pokrauje pes pechod báze - kolektor do kolektoru, protože jsou k nmu pitahovány velkým kladným naptím. vstup : zesilované naptí u 1 výstup : zesílené naptí u 2 Malá zmna proudu I B v obvodu báze vyvolá velkou zmnu proudu I K v obvodu kolektoru. Dležitým parametrem tranzistoru je jeho proudový zesilovací initel: Hodnota zesilovacího initele v podstat udává zesílení tranzistoru a dosahuje podle typu a funkce v zapojení hodnot nkolika desítek nebo stovek. Proud báze se periodicky mní kolem hodnoty I B0, potom periodické zmny výstupního naptí U CE0 vypadají takto : vstupní a výstupní naptí mají opanou fázi

5 Polovodiové prvky a jejich funkce: Termistor je polovodiová souástka (teplotn závislý odpor), která se používá jako teplotn citlivá souástka. Jeho odpor klesá s teplotou, piemž zmna odporu s teplotou je daleko rychlejší než u kov. Fotorezistor - je polovodiová souástka, jejíž odpor závisí na osvtlení (snižuje se se zvyšující se intenzitou dopadajícího svtla). Zenerova dioda - je jedním ze speciálních druh diod s velmi úzkým PN pechodem. Zenerovy diody se z hlediska fyzikálního principu dlí do dvou skupin: 1. Zenerv tunelový jev je základem innosti u diod s malým naptím (asi do 6 V) - - jelikož pechod je úzký, mže elektron "protunelovat" na druhou stranu 2. Zenerova dioda s vyšším naptím funguje na principu lavinového prrazu závrn polarizovaného pechodu PN. Elektron jako minoritní ástice je elektrickým polem v závrném smru urychlován. Mže pi vysokém naptí získat takovou energii, že pi srážce s atomem z nj vyrazí další elektron. Ten je zase urychlován, vyrazí další elektron a takto proud pes pechod prudce vzrstá. Je teba, aby byl proud omezován sériovým odporem, jinak dojde k destrukci.prrazné naptí závrn polarizované diody souvisí s mrným odporem materíálu, z nhož je dioda vyrobena. Slitinovou nebo difuzní technologií pi použití rzn vodivého výchozího monokrystalu je možno vyrobit diodu s prrazným naptím v rozmezí od 6 V do stovek volt. Je-li chlazením zajištno, že pi prrazu nedojde k nadmrnému ohevu pechodu a tím i k jeho zniení, lze této oblasti innosti v praxi využívat. V praxi mžeme využít jak bžnou propustnou oblast tak i závrnou oblast s napovým prrazem. Zenerova dioda se využívá hlavn ve stabilizátorech naptí, ve zdrojích referenních úrovní, v omezovaích úrovní atd. Schematická znaka Zenerovy diody: Do obvodu se zapojuje v závrném smru. Zapojení: Voltampérová charakteristika diody Svtelná dioda - když diodou prochází proud, dochází na PN pechodu k rekombinaci elektron a dr. Pitom se uvoluje energie, která se mže vyzáit ve form fotonu o píslušné vlnové délce. Svítivou diodu je nutno vždy zapojovat do série s rezistorem (ochranný rezistor), který omezuje maximální proud procházející diodou.

6 Fotodioda - polovodiová dioda, která se po osvtlení stává zdrojem el. naptí, aniž je pipojena k jinému zdroji. Velikost naptí je asi 0,5 V na jeden lánek (jednu fotodiodu). Fotodioda v tomto zapojení se asto nazývá slunení (solární) lánek, pípadn fotolánek. Fotodioda se mže zapojit jako odporová a pak se používá stejn a ve stejném zapojení jako fotorezistor. Integrovaný obvod tvoen diodami a tranzistory, ale také tzv. pasivními prvky (rezistory, kondenzátory, vodivé spoje, ) provádí logické operace, pro nž byl vyroben. Nelze jej naprogramovat. Mikroprocesor velmi složitý integrovaný obvod, který na jediné malé destice kemíku souste uje tisíce tranzistor, diod, rezistor. Jeho funkce lze naprogramovat.