Elektrický proud v polovodičích

Polovodiče

• pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit.
  • Změna vnějších podmínek – dodání energie tepelné nebo světelné
  • Změna vnitřních podmínek – příměs jiného prvku v polovodiči.
• Polovodiči jsou:
  • prvky: křemík (Si), germanium (Ge), selen (Se)
  • sloučeniny: arsenid galia (GaAs), sulfid olovnatý (PbS),aj.
• Většina polovodičů jsou krystalické látky, ale existují i polovodiče amorfní
  • Nositelé elektrického proudu v polovodičích jsou volné elektrony a díry

Měrný elektrický odpor polovodičů

• Polovodiče se od kovů liší především větším měrným elektrickým odporem ρ v intervalu : 10-4 - 10-8 Ω . m
• Závislost měrného elektrického odporu na teplotě:
• Rezistivita (též měrný elektrický odpor) je fyzikální veličina charakterizující lokální (diferenciální) vodivostní či odporové vlastnosti látek vedoucích elektrický proud.obrázek vynechán
• Rezistivita je materiálová konstanta
• Rezistivita látek závisí na teplotě. U kovových vodičů s teplotou roste, u polovodičů klesá

Termistory

• Teplotně závislý rezistor, který je zhotovený ze směsi oxidů (např. Fe2O3, TiO2, CuO, NiO, aj.)
• Termistor je polovodičová součástka, která se používá jako teplotně citlivá součástka
• Jeho odpor klesá s teplotou, přičemž změna odporu s teplotou je daleko rychlejší než u kovů ↓R ….. ↓t
• Využití:
  • Měření teplotyobrázek vynechán
  • Měření teploty na dálku
  • Kompenzace odporu žhavícího vodiče v elektronkách
  • Převodník z teploty na napětí

Fotorezistor

• 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.
• Využití:
  • Měření osvětlení - expozimetr (ve fotografických přístrojích)
  • Ovládání přístrojů - fotobuňka - otvírání dveří, zapínání zařízení…
  • Zabezpečovací zařízení - světelná závora - proti krádeži, bezpečnostní pojistka pro vypínání přístrojů, …
  • Detekce neviditelného infračerveného záření
  • Převodník ze světla na elektrické napětí.

Vlastní a příměsové polovodiče

Vlastní polovodiče

• Vodivost způsobuje generace elektronů a děr (jsou vždy v páru)
• Využití vlastní vodivosti - termistory a fotorezistory
• Látky tvořené čistě jedním prvkem (bez příměsí)
• Při běžných teplotách je třeba dodat pouze málo energie a elektrony se mohou z vazby uvolnit, přerušením vazby vzniknou vždy dva druhy volných částic s nábojem (vždy v párech). Jsou to elektrony a díry (kladný náboj)
• Díra
  • uvolněný valenční elektron chybí ve vazbě mezi atomy
  • nepředstavuje skutečnou částici s kladným nábojem (jako je proton), ale prázdné místo, na které může přejít jiný elektron

Příměsové (nevlastní) polovodiče

• Volné elektrony, resp. kladné díry lze do polovodiče dostat také pomocí příměsí.
  • Elektronová vodivost (Typu N - negativní)
  • Děrová vodivost (Typu P - pozitivní)
• Jako příměsi se volí atomy s ox.č. 5 (P,As,Sb)-typu N, nebo s ox.č. 3 (B,In,Ga)-typu P
• Elektronová vodivost - např. Si s příměsí P
  • P má 5 val. el., jeho elektrony jsou vázány na elektrony Si, pátý el. zůstává slabě vázáný, takže již při poměrně nízké teplotě se z něj stává volný el.
  • to zapříčiňuje, že v Si s příměsí P je nadbytek elektronů, tyto elektrony považujeme za majoritní nosiče náboje a díry za minoritní
  • z příměsového prvku se ve struktuře krystalu polovodiče stávají kladné nepohyblivé ionty, nazýváme je donory
  • polovodiče typu N
• Děrová vodivost - např. Si s příměsí B
  • B má 3 val. el., tím při plném obsazení vazeb se sousedními atomy Si chybí jeden valenční elektron, vzniká díra a to bez vzniku volného elektronu
  • díry jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje a příměsi se třemi valenčními elektrony tvoří ve struktoře krystalu nepohyblivé záporné ionty zvané akceptory

obrázek vynechán

Diodový jev a jeho technické využití

• Propustný směr je vyznačen hrotem trojúhelníku

obrázek vynechánobrázek vynechánobrázek vynechán

Led diody Zenerova dioda

Polovodičová dioda

• Dioda – polovodičový prvek se dvěma elektrodami
• úkolem v elektrickém obvodu je propouštět elektrický proud jen jedním směrem
• Obsahuje přechod PN
• Přechod PN – rozhraní polovodiče typu P a typu N.
• V místě styku obou polovodičů dojde k difúzi děr z polovodiče typu P do N a elektronů z polovodiče typu N do P (tzv. hradlová vrstva). V oblasti přechodu nejsou žádné volné elektricky nabité částice a přechod má velký el. odpor.

Polovodič s přechodem PN v obvodu stejnosměrného proudu

1. Bez zdroje napětí:

• V oblasti styku polovodičů se část e- z oblasti N dostane do P a část děr z oblasti P přejde do N. Rekombinace volných e- s děrami - kolem přechodu PN se vytvoří nevodivá oblast bez volných nábojů (šedá barva)

obrázek vynechán

2. Závěrný směr:

• Připojením záporného pólu k polovodiči P a kladného pólu k polovodiči N vzdalují se působením el. sil volné náboje od přechodu PN. Oblast bez volných nábojů se rozšíří a odpor vzroste – el. proud přechodem PN neprochází. Nevodivé oblasti bez volných nábojů = hradlová vrstva.

obrázek vynechán

3. Propustný směr:

• Změnou polarity zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné e- přes přechod PN ke kladnému pólu a díry jsou přitahovány k zápornému pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.

obrázek vynechán

obrázek vynechán

Voltampérová charakteristika diody

• v propustném směru indexujeme veličiny písmenem F, v závěrném R
• v propustném směru (I. kvadrant) je zpočátku proud velmi malý a teprve po dosažení určitého prahového napětí UP se začíná prudce zvětšovat
• proud v závěrném směru (III. kvadrant) je zanedbatelně malý a napětí na diodě nesmí překročít průrazné napětí UBR, jeho překročení má za následek zničení diody
• u tzv. stabilizačních (Zenerových) diod je přechod PN vyroben tak, že dioda může pracovat i po překročení určitého napětí v závěrném směru, Zenerovo napětí, po překroční tohoto napětí může diodou procházet trvale proud i v závěrném směru

Tranzistorový jev a jeho technické využití

• Tranzistor – polovodičová součástka se třemi elektrodami - emitorem E, bází B a kolektorem C.
• Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat – malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu.
• Tranzistor se vyrábí ve dvou modifikacích:obrázek vynechán

NPN

• • (E – polovodič typu N; B - vrstva polovodiče P; C – polovodič N)
  • NPN šipka ven

PNP

• • (E - polovodič typu P; B - vrstva polovodiče N; C - polovodič P obrázek vynechán

Polovodičová technikaobrázek vynechánobrázek vynechán

• Analogová
  • Usměrňovač
  • Operační zesilovač
  • Rádio
  • Televize
• Číslicová (Digitální)
  • Počítač
  • Řídící jednotky strojů a automobilů

Integrované obvody

• Integrovaný obvod (IO) – moderní elektronická součástka, vznikla spojením (integrací) mnoha jednoduchých el. součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající složitější funkci.
• V křemíkové destičce malého rozměru, tzv. čipu, je vytvořen celý funkční elektronický systém, který obsahuje mnoho tranzistorů, diod, rezistorů a dalších součástek.
• Analogové - zpracování spojitých (analogových) signálů (signály, které se s časem mění – zvukový, teplota)
• Digitální - signál tvořen sledem impulsů napětí, které se mění skokem mezi logickou nulou a logickou jedničkou.
  • Signál se zpracovává logickými operacemi, v nichž proměnná veličina nabývá jen dvou hodnot.
• K nejdokonalejším integrovaným obvodům číslicové techniky patří mikroprocesor = integrovaný obvod, jehož logické operace lze programovat