Sada 1 - Elektrotechnika

Transkript

1 S třední škola stavební Jihlava Sada 1 - Elektrotechnika 7. Polovodiče, P-N přechod, diody Digitální učební materiál projektu: SŠS Jihlava šablony registrační číslo projektu:cz.1.09/1.5.00/ Šablona: III/2 - inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Ing. Jaromír Zdarsa 2013 Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2 Vlastní vodivost polovodičů Polovodiče jsou látky, které za normálních podmínek proud nevedou Stačí však dodání ne obzvlášť velkého kvanta energie a vodivými se stanou (překročí zakázaný pás) energie formou zahřátí, osvětlení i tlaku Typické prvky jsou: křemík (Si), germanium (Ge), kadmium(cd) vše prvky čtyřmocné a sloučeniny GaAs, CdS Schéma energetických pásů v látce

3 Dvojice elektron -díra Generace páru elektron díra: Čím víc se zvyšuje teplota, tím víc kmitají atomy a mohou "ztratit" nějaké elektrony. Rekombinace páru elektron díra: Na místě, kde byl elektron, vznikne nenasycená vazba, tzv. díra. Ta může navázat nějaký volný elektron, který se dostane do její blízkosti. Proces zániku ("elektron spadne do díry") se nazývá rekombinace.

4 Vysvětlení vlastní vodivosti Elektron je částice se záporným nábojem, díravlastně představuje částici s kladným nábojem. Elektron ze sousední vazby přeskočí do vedlejší dírya ta se tak "posune" o místo vedle (ve skutečnosti se jedna dírazaplní a jiná vznikne, ale efekt je stejný, jakoby nic nezanikalo ani nevznikalo a dírase jen přesunula - pohyb díry).

5 Pohyb elektronu a díry musí probíhat najednou (elektron uvolní vazbu, zaplní díru a ta se tak pohybuje). Vypadá to tedy tak, že na jednu stranu se vždy pohybuje záporný elektron, na druhou stranu kladná díra. Toto je princip vlastního vodivosti polovodiče. Má stejný počet elektronů a děr. Připojíme-li polovodič ke zdroji napětí, pohybují se elektrony směrem ke kladné zdířce zdroje a díry směrem k záporné zdířce. Polovodičem protéká elektrický proud I, který je složen ze dvou částí: proudu I d tvořeného dírami (děrový proud) a proudu I e tvořeného elektrony (elektronový proud). Je tedy I=I e +I d Vzhledem k výše uvedenému principu polovodičů je jasné, že odpor polovodiče bude silně záviset na tom, jakou mu dodáme energii. To znamená například na světle a na teplotě. Ale kupodivu třeba i na tlaku.

6 Termistor Jak závisí odpor polovodiče na teplotě? S rostoucí teplotou klesá, neboť se uvolňují další nosiče náboje (více elektronů z valenčního pásu je schopno překonat zakázaný pás a stát se volnými). Oproti tomu u kovů odpor s rostoucí teplotou roste -atomy mříže více kmitají a tudíž se více srážejí s elektrony a tím je brzdí Využití termistoru: 1. Měření teploty. 2. Měření průtokového množství.termistor se napřed elektrickým proudem ohřeje na jistou teplotu a pak se ponoří do proudu kapaliny nebo plynu a tak se ochlazuje. Ochlazení závisí na průtoku (při dané teplotě látky, která protéká). 3. Měření teploty na dálku a na špatně přístupných místech.jednou termistor někam zabuduji a pak mohu na vzdáleném stanovišti měřit, nebo mohu pomocí miniaturních termistorů (tzv. perličkový termistor) měřit teplotu v lidském těle, uvnitř motorů apod. 4. Kompenzace odporu žhavícího vodiče v elektronkách. Kovové vlákno má za studena malý odpor, který po zahřátí několikrát vzroste (spočtěte si to ). Napětí je určeno na zahřátý žhavící vodič -při zapnutí proudu nastává proto velký proudový náraz. Dáme-li do série s vodičem termistor mající za studena velký odpor, který klesá s teplotou, je celkový odpor stále přibližně konstantní. 5. Převodník z teploty na napětí.

7 Využití termistoru: 1. Měření teploty. 2. Měření průtokového množství.termistor se napřed elektrickým proudem ohřeje na jistou teplotu a pak se ponoří do proudu kapaliny nebo plynu a tak se ochlazuje. Ochlazení závisí na průtoku (při dané teplotě látky, která protéká). 3. Měření teploty na dálku a na špatně přístupných místech.jednou termistor někam zabuduji a pak mohu na vzdáleném stanovišti měřit, nebo mohu pomocí miniaturních termistorů (tzv. perličkový termistor) měřit teplotu v lidském těle, uvnitř motorů apod. 5. Převodník z teploty na napětí.

8 Fotorezistor Fotorezistorje polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na osvětlení. Světlo (fotony) dodává energii elektronům ve valenčním pásu, které tak mohou překonat zakázaný pás a stát se volnými. Čím více světla dopadá na fotorezistor, tím větší proud prochází obvodem. Z toho vyplývá, že odpor fotorezistoru klesá se zvyšujícím se osvětlením. Se zvyšujícím se počtem volných elektronů ve vodivostním pásu roste vodivost polovodiče a tudíž klesá jeho odpor.

9 Využití fotorezistorů: 1. Měření osvětlení expozimetr (např. ve fotografických přístrojích) 2. Ovládání přístrojů - fotobuňka- otvírání dveří, zapínání zařízení Zabezpečovací zařízení-světelná závora -proti krádeži, bezpečnostní pojistka pro vypínání přístrojů, Detekce neviditelného infračerveného záření-nutno používat materiály s menší šířkou zakázaného pásu, například InSb. Toto se opět používá v zabezpečovacích zařízeních (paprsek není vidět). 5. Převodník ze světla na elektrické napětí.

10 Tenzoelektrickásoučástka Tenzoelektrickásoučástka je polovodičová součástka bez PNpřechodu (kus polovodiče), jejíž odpor je závislý na mechanickém tlaku. Mechanickým tlakem se změní mřížková konstanta (vzdálenost atomových rovin) polovodiče a tím se změní koncentrace částic s nábojem a může se měnit i šířka zakázaného pásu (čímž se mění počet elektronů ve vodivostním pásu). U některých materiálů, např. germania, křemíku, stříbra a arsenu se efekty těchto dvou změn sčítají.

11 Použití: 1. Měření tlaku. Aby bylo měření dostatečně citlivé, měří se v můstkovém zapojení. Odpor reostatu nastavujeme tak, aby ampérmetrem neprotékal proud, a z odporu tenzoelektrickésoučástky můžeme určit tlak na ni působící.

12 2. Mikrofon. Pracuje na stejném principu jako uhlíkový mikrofon. 3. Převodník mechanického tlaku na elektrické napětí.

13 Zdroje: Literatura: IŽOM. TOKOLYF.: Elektrotechnické materiály pro SOU, 2855, SNTL, htm#model Solid Team Olomouc: Elektrov praxi 1, určeno pro přípravu na zkoušky a využití v praxi, 2012 Materiál je určen k bezplatnému používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je : Ing. Jaromír Zdarsa Pokud není uvedeno jinak, byly při tvorbě použity volně přístupné internetové zdroje. Autor souhlasí se sdílením vytvořených materiálů a jejich umístěním na