S třední škola stavební Jihlava Sada 1 - Elektrotechnika 8. Polovodiče - nevlastní vodivost, PN přechod Digitální učební materiál projektu: SŠS Jihlava šablony registrační číslo projektu:cz.1.09/1.5.00/34.0284 Šablona: III/2 - inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Ing. Jaromír Zdarsa 2013 Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Polovodič typu N Do čistého křemíku, který je čtyřmocný, se přidá pětimocná příměs (např. arsen As) Vznikne tak příměsový polovodič. Atom arsenu má pět valenčních elektronů, ale poslední z nich je velmi slabě vázán. Proto se již při nízkých teplotách uvolní a stane se volným. Na jeho místo k atomu arsenu se však nemůže navázat žádný jiný elektron, protože vazba je na to příliš slabá (arsen ho "nechce"). Atomy arsenu se stanou nepohyblivými kladnými ionty. Příměsový polovodič s pětimocnou příměsí
Díky každému atomu arsenu tak vznikne jeden elektron, ale žádná díra. Takovýto polovodič má tedy více elektronů než děr (páry elektron díra samozřejmě vznikají z atomů křemíku stejně jako u vlastního polovodiče ) a nazývá se polovodič s elektronovou vodivostí neboli polovodič typu N. Elektrony se nazývají majoritní (většinové) nosiče náboje, díry minoritní (menšinové) nosiče. Atomy příměsi (zde As) se nazývají donory ("darují" elektron). Polovodič typu N -již při nízké teplotě se uvolní pátý elektron od atomu arsenu
Energetické pásy polovodiče typu N V čistém (vlastním) polovodiči musí elektron z valenčního pásu dostat energii rovnou minimálně šířce zakázaného pásu, aby se stal volným. Tím, že nyní do krystalu přidáme příměs, se podoba energetických pásů změní. Nejslaběji vázaný elektron v atomu arsenu má energii blízkou horní hranici zakázaného pásu (nachází se na tzv. donorové hladině) (zakázaný pás je "zakázaný" pro krystal čistého křemíku) a tudíž na to, aby se dostal do vodivostního pásu, potřebuje mnohem menší energii než elektrony z valenčního pásu. Proto se již při nízké teplotě stane volným. Energetické pásy pro polovodič typu N
Polovodič typu P Druhou možností, jak zvýšit počet volných elektronů v křemíkovém polovodiči, je přidat do čistého křemíku atomy trojmocnéhoprvku (např. indium In). Indium má jen tři valenční elektrony, ale velmi snadno naváže ještě jeden další elektron (který se ocitnul ve vodivostním pásu při generaci páru elektron -díra). Potom ho již "nepustí", takže se z atomu india stane nepohyblivý záporný iont. Nazývá se proto akceptor (příjemce). Příměsový polovodič s třímocnou příměsí
Díky každému atomu india vznikne jedna volná díra, ale žádný elektron. V takovémto polovodiči je tedy více děr než elektronů. Je to polovodič s děrovou vodivostí neboli polovodič typu P. Díryse nazývají majoritní(většinové) nosiče náboje, elektrony minoritní (menšinové) nosiče. Polovodič typu P - atom příměsi přijme elektron a vytvoří se tak volná díra
Energetické pásy polovodiče typu P Podoba energetických pásů se oproti vlastnímu polovodiči opět změní. Tentokrát přibude tzv. akceptorová hladina, na kterou mohou přecházet elektrony z valenčního pásu. Akceptorová hladina se nachází v dolní části zakázaného pásu, takže elektrony z valenčního pásu tam mohou velmi snadno přejít. Po nich pak zůstávají volné díry. Energetické pásy pro polovodič typu P I velmi malé množství příměsových atomů v čistém polovodiči zvyšuje jeho vodivost velmi značně!!!
PNpřechod -dioda Polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P a s částí typu N. : Situace na PN přechodu v okamžiku jeho vytvoření
Difuzní napětí Protože v blízkosti přechodu je velký gradient (spád, změna) koncentrace děr i elektronů, pronikají elektrony do části P a díry do části N a vzájemně rekombinují. Tímto způsobem volné částice s nábojem mizí z oblasti přechodu a začíná se projevovat difuzní elektrické pole E d vytvářené ionty příměsí. Další elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu, neboť jim v tom brání vytvořené elektrické pole. Oblast u přechodu, která neobsahuje volné částice s nábojem, se nazývá hradlová vrstva PN přechod v rovnovážném stavu
PNpřechod v propustném směru Nyní připojme na PNpřechod vnější napětí s kladným pólem na P a záporným na N. Toto vnější napětí vytváří vnější intenzitu elektrického pole E, která má směr proti intenzitě E d. Bude-li tedy vnější intenzita Evětší než E d (přiložené napětí bude dostatečně velké), bude mít celková intenzita směr od P k N, kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem k přechodu a přes přechod bude procházet elektrický proud. PNpřechod je zapojen v propustném směru PN přechod zapojený v propustném směru
PNpřechod v závěrném směru Nyní naopak přiložme napětí na přechod s opačnou polaritou, tj. kladným pólem na N. Intenzita vnějšího pole E a intenzita E d mají stejný směr a "odtlačují" volné elektrony a díry ještě dále od přechodu. Přes přechod může téci jen proud způsobený minoritními nosiči, který je malý. Přechod je zapojen v závěrném směru
Polovodičová dioda Je to součástka využívající vlastností PN přechodu. Vede proud pouze při jedné polaritě napětí. (+ na anodě) Anoda polovodič typu P Katoda Polovodič typu N Anoda Katoda Schematická značka diody
Voltampérová charakteristika diody
Několik typů usměrňovacích diod
Využívá se: v usměrňovačích nelineární charakteristiky lze využít při směšování signálů otevřený přechod jako zdroj napětí při jeho osvětlení základní prvek fotovoltaických panelů LED diody Laserové diody Zenerovy diody pro stabilizaci napětí
Zdroje: Literatura: CHLUP J. KESZEGHL.: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL 1989, 321 3006 http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/index.html http://elektross.gjn.cz/index.html http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k31.htm# model http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/diody.htm 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 www.ssstavji.cz.