Polovodiče

Polovodiče – shrnutí

Hlavní funkcí je zjednodušit zapojení elektrických obvodů

Předchůdce polovodičových součástek- elektronky

Polovodiče jsou látky které mají schopnost chovat se za určitých podmínek jako vodiče nebo jako izolanty

• Izolant – nevodič – špatně vede elektrický proud nebo vůbec. Všechny elektrony u nevodiče jsou drženy u jádra atomu a nemohou se volně pohybovat. Mezi nevodiče patří korek, plast, sklo.
• Vodič – vede dobře elektrický proud. Některé elektrony nejsou drženy vůbec a volně se pohybují. Patří sem především kovy.
• Polovodiče – mezi nevodiči a vodiči. Některé elektrony jsou sice drženy u jádra atomu, ale ne příliš pevně. Stačí málo a elektrony se utrhnout a mohou se pohybovat. Polovodič pak obsahuje volné elektrony a může vést elektrický proud. Mezi polovodiče patří křemík, selen, germanium…
• Odpor vodiče s teplotou roste … vodivost klesá.
• Odpor polovodiče s teplotou klesá … vodivost roste

Podmínky:

• Vnější (vodič dostane nějakou energii- tepelnou, elektrickou, světelnou)
• Vnitřní (příměs jiného prvku)

U polovodičů rozlišujeme vodivost:

• Vlastní– polovodič je tvořen pouze elektrony jednoho prvku
• Příměsová– příměsí dosáhneme toho, že v polovodiči převládne buď proud tvořený volnými zápornými elektrony- což je vodivost typu N, nebo zcela kladnými děrami, a to je vodivost typu P

Valenční vrstva atomu= nejvzdálenější od jádra, slaběji navázané elektrony

Rekombinace= spojení mezi elektronem a dírou (kladně nabitou „částicí“)

Díra= zdánlivě kladně nabité místo

Vodivost typu N– vyžaduje donor (dárce)- např. křemík (4 elektrony ve VV) a fosfor (5 elektronů ve VV)- fosfor daroval 1 volný elektron

Vodivost typu P– křemík (4 volné elektrony- čtyřvazný) a bor (3 volné elektrony-trojvazný)- příměs v tomto případě je bor akceptorem

Spojíme-li dvě oblastí jednu s vodivostí P a druhou s vodivostí N à dioda

• Oblast P- velké množství kladných děr
• Oblast N- volné záporné elektrony

Pokud nepřipojíme elektrické napětí volné elektrony přeskakují do kladných děr (rekombinace) a vytvoří hradlovou vrstvu která je nevodivá

Zapojení diody:

• Zapojení přechodu v závěrném směru- připojíme + na typ N a – na typ P a hradlová vrstva se ještě zvětší à takto zapojeným přechodem nebude procházet elektrický proud, protože díry se nahrnou na stranu záporného pólu a volné elektrony na stranu kladného pólu
• Propustný směr- typ P napojíme na + a typ N na -, hradlová vrstva se zmenší à takovýmto přechodem bude procházet proud, protože volné elektrony z N se přesunují přes hradlovou vrstvu na kladný pól (díry obráceně)

Při kombinaci přechodů např. PNP nebo NPN získáme tranzistor (slouží jako malý vypínač- součást mikroprocesorů)

Co je termistor?

• Termistor je polovodičová součástka. Její odpor se mění rostoucí teplotou.
• S rostoucí teplotou se odpor termistoru snižuje, při snižování teploty se odpor zvyšuje.
• Používá se především k měření teploty

Vlastní vodivost

• Čistý křemík – při zahřátí se uvolňují z vazeb elektrony – vodivost je způsobena vznikem volných elektronů a děr (volných elektronů a děr je stejný počet!)
• Vlastní polovodič je polovodič pouze s vlastní vodivostí
• Pro praktické využití je ovšem hustota volných elektronů a děr malá a je proto nutné zvýšit množství volných elektronů nebo děr. To znamená přidat prvek s větším/menším počtem valenčních elektronů než má křemík.

Příměsová vodivost

Elektronová vodivost a polovodič typu N

• Zvýšíme počet volných elektronů přidáním příměsi do křemíku – prvky s pěti valenčními elektrony (fosfor, astat, cín).
• I když není teplota tak vysoká, stává se polovodič díky své příměsi vodivým.
• Pokud přidáme do křemíku příměs fosforu, bude v mřížce přebývat jeden valenční elektron. Tento volný elektron se může volně pohybovat a způsobuje, že polovodič vede elektrický proud.
• Polovodič, jehož příměsová vodivost je způsobena volnými elektrony, je polovodič typu N (polovodič s elektronovou vodivostí)

Elektronová vodivost a polovodič typu N

• Snížíme počet volných elektronů přidáním příměsi do křemíku – prvky s třemi valenčními elektrony (bor, indium, galium).
• I když není teplota tak vysoká, stává se polovodič opět díky své příměsi vodivým.
• Pokud přidáme do křemíku příměs boru, bude v mřížce chybět jeden valenční elektron. Vzniká díra, která je zdánlivě kladně nabitá, do ní může přeskočit elektron. Pokud zapojíme ke zdroji napětí, začnou elektrony přeskakovat mezi dírami od záporného pólu ke kladnému a způsobuje, že polovodič vede elektrický proud. Proud je tu „přenášen“ děrami.
• Polovodič, jehož příměsová vodivost je způsobena děrami, je polovodič typu P (polovodič s děrovou vodivostí)

K čemu slouží polovodičová dioda?

• Polovodičová dioda je součástka, která propouští proud jen jedním směrem (přechod PN).
• Některé spotřebiče potřebují stejnosměrný proud (rádio, televizor, počítač), odbírají střídavý, ale ten je nutné potom usměrnit. Usměrňujeme právě pomocí diody.

Usměrnění střídavého proudu

• Máme jednoduchý obvod se žárovkou, ve kterém je zdroj střídavého napětí. Žárovka svítí.
• Do obvodu zapojíme polovodičovou diodu. Dioda usměrní proud jedním směrem. Žárovka bude blikat, neboť proud prochází jen polovinu času.
• Do obvodu zapojíme polovodičovou diodu opačně než v předchozím případě. Dioda usměrní proud jedním směrem, proud bude procházet v opačných okamžicích než v předcházejícím případě. Žárovka bude blikat.

Dvojcestné usměrnění střídavého proudu

• Dvojcestné usměrnění vzniká zapojením více diod do obvodu.
• Na obrázku je Grätzovo zapojení čtyřech diod. Šipky znázorňují, jak se mění směr procházejícího proudu.
• Tímto usměrněním vzniká tzv. stejnosměrný tepavý proud à žárovka svítí pořád