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 1 Rozdělení látek podle vodivosti Bc. Radim Miksa 30. 9. 2012
Obsah ÚVOD - ANOTACE... 1 1 ROZDĚLENÍ LÁTEK PODLE VODIVOSTI... 2 1.1 VODIČE... 2 1.2 IZOLANTY... 3 1.3 POLOVODIČE... 3 1.4 KONTROLNÍ OTÁZKY... 3 2 DOPORUČENÁ LITERATURA... 4 3 POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE... 5 4 SEZNAM OBRÁZKŮ... 6
Úvod - anotace Výukový materiál se zabývá charakteristikou látek podle elektrické vodivosti, jejich rozdělením a příklady použití. 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 Rozdělení látek podle vodivosti Látky se dělí podle skupenství na pevné, kapalné, plynné a plazmu (ionizovaný plyn). Dále pak podle vodivosti na vodiče, polovodiče a izolanty. 1.1 Vodiče Vedou elektrický proud. Obsahují velké množství volných nábojů, které se mohou působením elektrického pole ve vodiči přemísťovat. Nejlepšími vodiči jsou kovy, zejména stříbro, měď a hliník. Dobrými vodiči je například rtuť nebo roztoky solí a kyselin. Za určitých okolností může proud procházet i v plynech (například ve světelných trubicích Ne, Xe a Ar). Čím více má látka volných elektronů, tím je lepší vodič. Připojíme-li ke kovovému vodiči zdroj napětí, vznikne mezi konci vodiče elektrické pole. Původně neuspořádaný pohyb volných elektronů v kovu se změní - elektrony se začnou pohybovat uspořádaně od záporného ke kladnému pólu. Uspořádaný pohyb volných elektronů se nazývá elektrický proud. Obrázek 1 - měděný izolovaný vodič V kapalinách se musí nejprve molekuly rozštěpit na kladné a záporné ionty (tento jev se nazývá disociace) a teprve pak může dojít působením vnějšího elektrického pole k jejich usměrněnému pohybu a průchodu elektrického proudu. Kladné ionty přitom směřují k zápornému pólu a záporné ionty k pólu kladnému. Obrázek 2 - elektrický proud v roztoku NaCl Plyny jsou za normálních podmínek téměř dokonalými nevodiči. Elektrický proud v nich může procházet teprve po rozštěpení jejich molekul na ionty (tento jev se nazývá ionizace plynu). Ionizaci může způsobit například zahřátí plynu nebo silné elektrické pole. 2
Obrázek 3 - úsporná žárovka 1.2 Izolanty Nevedou elektrický proud. Neobsahují téměř žádné volné náboje, a proto mají nepatrnou vodivost. Nevodiče se také nazývají izolanty neboli dielektrika. Výbornými izolanty jsou sklo, porcelán, guma, některé plasty, suchý vzduch, transformátorový olej, destilovaná voda, apod. Dokonalý vodič ani dokonalý izolant neexistuje. Obrázek 4 - keramický izolátor 1.3 Polovodiče Nevedou elektrický proud, ale za určitých podmínek ano, např. působením teploty. U kovových součástek se s rostoucí teplotou odpor zvyšuje, u polovodičů se snižuje. U kovových součástek se s rostoucí teplotou odpor zvyšuje, u polovodičů se snižuje. Mezi polovodiče patří například křemík (Si), germanium (Ge), Selen (Se), Arzen (As) a další. Pro polovodiče s přechody PN je výhodné použití křemíku, protože křemík je po kyslíku nejčastěji se vyskytujícím prvkem. Je to hlavní složka písku. Proto se křemík používá pro výrobu polovodičových součástek například diod, tranzistorů, ) nejčastěji. Jednou důležitou vlastností polovodiče je bipolární vodivost, tj. vedení proudu je v něm zprostředkováno částicemi obsahující kladný a záporný náboj (elektronová a děrová vodivost). 1.4 Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte, jak se dělí látky podle skupenství? 2. Jak se nazývá uspořádaný pohyb volných elektronů ve vodiči? 3. Vyjmenujte některé vodiče. 4. Čím jsou charakteristické izolanty? 5. Vyjmenujte některé izolanty. 6. Co jsou to polovodiče? 7. Které prvky patří mezi polovodiče? 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 - MĚDĚNÝ IZOLOVANÝ VODIČ... 2 OBRÁZEK 2 - ELEKTRICKÝ PROUD V ROZTOKU NACL... 2 OBRÁZEK 3 - ÚSPORNÁ ŽÁROVKA... 3 OBRÁZEK 4 - KERAMICKÝ IZOLÁTOR... 3 6