Zvyšování kvality výuky technických oborů Klíčová aktivita V. 2 Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol Téma V. 2.3 Polovodiče a jejich využití Kapitola 2 Polovodiče Bc. Radim Miksa 30. 9. 2012
Obsah ÚVOD - ANOTACE... 1 1 POLOVODIČE... 2 1.1 POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY... 2 1.1.1 Germanium - Ge... 2 1.1.2 Selen Se... 2 1.1.3 Tellur Te... 2 1.1.4 Křemík Si... 3 1.2 VLASTNÍ VODIVOST... 3 1.1 KONTROLNÍ OTÁZKY... 3 2 DOPORUČENÁ LITERATURA... 4 3 POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE... 5 4 SEZNAM OBRÁZKŮ... 6
Úvod - anotace Výukový materiál se zabývá charakteristikou polovodičových materiálů, jejich rozdělením. Výklad je na konci kapitoly doplněn kontrolními otázkami. Tento materiál je především určen pro 2. a 3. ročník oboru 39-41-L/01 Autotronik. Cílem tohoto materiálu je podpora zvládnutí daného výukového celku v předmětu Aplikovaná elektronika (AEL) a seznámení studentů se základními pojmy z oblasti polovodičové techniky. Po prostudování všech kapitol by měl student být schopen základní orientace v oblasti polovodičových součástek a jejich aplikací. 1
1 Polovodiče 1.1 Polovodičové materiály Polovodiče jsou látky, které mají měrný odpor větší než kovové vodiče, ale menší než izolanty. Jeho odpor se, na rozdíl od vodičů, snižuje se zvyšováním teploty. Kromě toho závisí vodivost polovodiče na dalších vnějších vlivech, jako je světlo, tlak a elektromagnetické pole. Měrný elektrický odpor nebo také rezistivita je z elektrických vlastností materiálu vlastnost nejdůležitější a určuje jak moc je materiál elektricky vodivý neboli jak velký klade odpor tekoucímu elektrickému proudu. Materiál Značka ρ [10-6 Ω.m] Příklad použití Stříbro Ag 0,01629 kontakty, polovodiče Měď Cu 0,0178 vedení, vinutí Zlato Au 0,0235 kontakty, elektronika Hliník Al 0,0283 vedení Křemík Si 2,5 10 9 polovodiče Tabulka 1- příklady měrného odporu pro různé materiály pří teplotě 20 C Vodivost polovodičů hodně závisí na teplotě a na osvětlení. Nejpoužívanějším polovodičovým materiálem je křemík, dále pak germanium, selen, fosfor, arzen a další. Využívají se jako základní materiály pro konstrukci polovodičových součástek, nebo jako složky a příměsi polovodičových sloučenin. 1.1.1 Germanium - Ge Germanium je šedobílá, lesklá a křehká látka. Germanium se používá v polovodičové technice a elektronice. Elektrický odpor čistého kovu je 60 Ω/cm. Použití bylo v usměrňovačích a zesilovačích v oborech vysokofrekvenční, měřicí a regulační techniky. Dále se používal na fotoelektrické články, termoelektrické články a termistory. 1.1.2 Selen Se Největší praktické uplatnění nachází selen, jako polovodič typu P. Selen se používá hlavně v elektrotechnice ke konstrukci usměrňovačů a fotoelektrických článků. V dalších oborech potom například ve sklářství k barvení skla na žluté až temně červené odstíny a v gumárenském průmyslu. 1.1.3 Tellur Te Tellur je stříbřitě bílý, lesklý a velmi křehký prvek. Používá se mimo jiné k výrobě polovodičů, termoelektrických zařízení, citlivých fotočlánků a dalších. 2
1.1.4 Křemík Si Křemík je modrošedá, křehká, značně tvrdá látka. Nejdůležitějším minerálem křemíku je křemen SiO 2. Teplota tavení je 1 423 C, teplota varu 2 360 C. Pro elektronický průmysl je potřeba křemík o čistotě minimálně 99,9999%. Používá se jako polovodič např. v diodách, tranzistorech a fotovoltaických článcích. Křemík je čtyřmocný (má 4 valenční elektrony) a jeho atomy jsou uspořádány v krystalové mřížce. 1.2 Vlastní vodivost Vlastní polovodič je polovodič s vlastní vodivostí. U čistého křemíku se při zahřátí uvolňují z vazeb elektrony. Vodivost je způsobena vznikem volných elektronů a děr. Na obrázku je model struktury křemíku. Každý atom má 4 valenční elektrony, které tvoří vazbu se sousedním atomem. V tomto stavu křemík elektrický proud nevede - křemík je izolant. Toto platí při nízkých teplotách a u chemicky čistého křemíku. atom křemíku elektron Obrázek 1 - Krystalová mřížka křemíku Pokud začneme zvyšovat teplotu, tím dodáváme energii, částice začnou kmitat rychleji a některý z elektronů se uvolní. Uvolněním elektronů z vazby vznikne v mřížce prázdné místo - díra. Díra je místo s kladným nábojem. Uvolněním elektronů z vazby se z křemíku stává vodič. Elektron i díra se mohou v materiálu pohybovat. Obrázek 2 - Krystalová mřížka křemíku při vyšších teplotách 1.3 Kontrolní otázky 1. Na čem závisí vodivost polovodičů? 2. Charakterizujte křemík. 3. Co je to vlastní vodivost? 4. Co se stane v souvislosti s vodivostí, když začneme chemicky čistý křemík zahřívat? 3
2 Doporučená literatura 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku I. 1. vyd. České Budějovice: Kopp, 1994. 173 s. ISBN 80-858-2817-0. 4. BEZDĚK, Miloslav. Elektronika: učebnice. 3. vyd. České Budějovice: Kopp, 2008. ISBN 978-80-7232-359-32. 5. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9. 4
3 Použitá literatura a zdroje 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9. 5
4 Seznam obrázků OBRÁZEK 1 - KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA KŘEMÍKU... 3 OBRÁZEK 2 - KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA KŘEMÍKU PŘI VYŠŠÍCH TEPLOTÁCH... 3 6