Základní škola a mateřská škola Bzenec

1. Základní škola a mateřská škola Bzenec Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/21.2769 Číslo a název šablony klíčové aktivity: I/2: čtenářská a informační gramotnost - inovace Vypracoval/a: Mgr. Jana Presová Ověřil/a: Mgr. Jana Presová

2. Název výukového materiálu: • Elektrický proud v polovodičích - 9. ročník • Vzdělávací obor: fyzika • Tematický okruh: elektrický proud v látkách • Téma: • Polovodivé látky, vlastní vodivost • Nevlastní vodivost, polovodič typu N a P • Dioda a její zapojení • Použití diody • Další součástky s PN přechody • Stručná anotace: • Prezentace shrnující nejdůležitější informace o polovodičích a polovodičových diodách (vodivost, příměsi, použití diod v praxi, polovodičové součástky, …).

3. Rozdělení látek podle elektrických vlastností látky rozdělujeme na: • vodiče – obsahují volné elektricky nabité částice a dobře vedou elektrický proud • polovodiče – za určitých podmínek se v nich mohou uvolnit elektricky nabité částice a vést elektrický proud • izolanty – neobsahují volné elektricky nabité částice a nevedou proto elektrický proud

4. Srovnání kovového vodiče a polovodiče • kovy - s rostoucí teplotou roste měrný odpor (a tedy i odpor)  klesá vodivost • polovodiče - s rostoucí teplotou většinou měrný odpor (a tedy i odpor) klesá  roste vodivost • pozn.: vodivost polovodičů může taky záviset na osvětlení, čehož se využívá např. u automatického otevírání a zavírání dveří

5. Z čeho jsou? mezi nejznámější polovodivé materiály patří prvkyIV. A skupiny (germanium Ge, křemík Si) • termistory – vyrábí se z oxidů některých prvků (oxid kobaltnatý, hořečnatý, železitý, titaničitý, …) • fotorezistory – vyrábí se z materiálů citlivých na světlo (síran kademnatý, selenid kademnatý, …) u polovodičů rozeznáváme dva typy vodivosti: • vlastní – čisté polovodiče (bez příměsí) • nevlastní - obsahují příměsi jiných prvků

6. Vlastní vodivost (vodivost čistých polovodičů) • prvky ze IV.A skupiny mají 4 valenční elektrony podílející se na vazbě • tyto valenční elektrony se mohou z vazby uvolnit, získají-li dostatečnou energii např. zahřáním, dopadajícím zářením • při nízkých teplotách nemá čistý polovodič téměř žádné volné elektrony – má velký odpor a velmi malou vodivost • při vyšších teplotách se některé elektrony z vazeb uvolní – volné místo po elektronu se chová jako kladně nabitá částice – díra Součástky využívající vodivosti čistých polovodičů: • termistor a fotorezistor

7. Fotorezistor • odpor závisí na osvětlení (víc světla = větší vodivost) Použití • měření intenzity světla • fotozávory • automatické počítání předmětů • automatické otevírání dveří, … schematická značka:

8. Termistor • odpor závisí na teplotě (zahřátím součástky odpor klesá a roste vodivost) Použití: • teplotní čidla (k měření teploty) schematická značka: t

9. Nevlastní vodivost (vodivost příměsová) do čistého polovodiče (prvky IV. A skupiny) přidáme prvky ze III. A nebo V. A skupiny podle toho rozeznáváme dva typy polovodičů: • polovodič typu N • polovodič typu P

10. Polovodič typu N • příměs - prvky V. skupiny (např. arsen As) • z pěti valenčních elektronů arsenu se jen čtyři podílí na vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny, zbývající pátý elektron je vázáný jen slabě a již při mírném zahřátí se dokáže uvolnit a pohybovat se po látce • vedení elektrického proudu v tomto polovodiči je tedy zprostředkováno nadbytečnými elektrony (ty mají záporný = negativní náboj)

11. po připojení ke zdroji se nadbytečné elektrony pohybují usměrněně – vedou elektrický proud

12. Polovodič typu P • příměs - prvku III. skupiny (např. indium In) • na vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny se podílí jen tři elektrony, na jednom místě tedy vznikne díra, která však může být snadno zaplněna přeskokem elektronu od sousedního atomu • vytvořené díryse v polovodiči volně pohybují (tím, že si přetahují elektrony odjinud) a vedou tak elektrický proud (díry mají kladný = pozitivní náboj)

13. po připojení ke zdroji se díry pohybují usměrněně (přitahují si elektrony tak, aby se pohybovaly směrem k zápornému pólu zdroje)

14. Polovodičová dioda • polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P (anoda) a s částí typu N (katoda) • v polovodiči typu N je velký počet volných elektronů, v polovodiči typu P je značná převaha děr • v okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) mohou volné elektrony a díry přecházet z jedné části do druhé • může to vypadat takto:

15. Vzhled diody Schematická značka:

16. Zapojení diody • o tom, zda bude diodou procházet proud, rozhoduje polarita zdroje • diodu můžeme do obvodu zapojit dvojím způsobem, a to: • v propustném směru – proud prochází • v závěrném směru – proud neprochází

17. Zapojení v propustném směru • pokud zapojíme kladný pól zdroje k polovodiči typu P (anoda) a záporný pól zdroje k polovodiči typu N (katoda), volné elektricky nabité částice budou přecházet přes PN přechod a obvodem bude procházet proud

18. Zapojení v závěrném směru • pokud zapojíme kladný pól zdroje k polovodiči typu N (katoda) a záporný pól zdroje k polovodiči typu P (anoda), volné elektricky nabité částice nebudou přecházet přes PN přechod (půjdou směrem od něj!) a obvodem nebude procházet elektrický proud pozn.: ve skutečnosti diodou nějaký prochází proud, ale je však velmi malý

19. Použití polovodičové diody • dioda se velmi často používá k usměrnění střídavého proudu (jeden směr proudu propustí a druhý ne) • usměrnění může být: • jednocestné • dvojcestné • jednocestný usměrňovač - propouští pouze jednu půlvlnu vstupního napětí (proudu), je to nejjednodušší zapojení usměrňovače, které vyžaduje pouze jednu diodu tzv. tepavý proud

20. Dvoucestný usměrňovač • propouští obě půlvlny vstupního napětí (proudu), jednu přímo a druhou půlvlnu obrací na opačnou • nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače je Grätzův můstek (zapojení čtyř diod)

21. Další polovodičové součástky • stabilizační (Zenerova) dioda - vyrovnává průběhu proudu ve stabilizačních obvodech • hrotová dioda – používá se v měřící, rozhlasové a televizní technice • LED dioda • fotodioda • tranzistor • tyristor - používá se jako spínač a především jako řízený usměrňovač

22. LED dioda • je to dioda vyzařující světlo pokud jí prochází proud (zapojení v propustném směru) • také se jí říká svítivka • obsahuje jeden PN přechod schematická značka:

23. Fotodioda • pokud na ni svítí světlo, stává se zdrojem elektrického napětí • jedna fotodioda může dát maximálně napětí 0,5V • v praxi se využívá u slunečních článků a baterií • obsahuje jeden PN přechod schematická značka:

24. Tranzistor • má dva PN přechody • je základem integrovaných obvodů (např. procesory, paměti, zesilovače, …) schematická značka:

25. Video – LED diody • http://www.youtube.com/watch?v=Aj3_v7xCyJ0&feature=related • http://www.youtube.com/watch?v=SxvPb3JC11E&feature=related • http://www.youtube.com/watch?v=_SO1J1kP3YQ&feature=related

26. Zdroje: texty a obrázky • Učebnice fyziky pro základní školy • R. Kolářová, J. Bohuněk, I. Štoll, M. Svoboda, M. Wolf, nakladatelství Prometheus 2001 • K. Rauner, V. Havel, M. Randa, nakladatelství Fraus 2007 • Z. Lustigová, nakladatelství Fortuna 1999 • J. Maršák, nakladatelství Kvarta Praha 1993 • Pracovní sešit k učebnici fyziky • K. Rauner, V. Havel, M. Randa, nakladatelství Fraus 2007 • Přehled učiva fyziky • S. Pople a P.Whitehead, nakladatelství Svojtka&Co. 1999 • Fyzika - přehled učiva základní školy • J. Vachek, nakladatelství SPN 1978 • Fyzika I. a II. • Z. Horák a F. Krupka, nakladatelství SNTL/ALFA, 1976  • Pokusy z fyziky s jednoduchými pomůckami • E. Svoboda, nakladatelství Prometheus • Fyzika – ilustrovaný přehled • Ch. Oxlade, C. Stockley aj. Werheim, nakladatelství Blesk Ostrava 1994 • Internetová encyklopedie - wikipedie

27. Zdroje – texty a obrázky • http://www.vossost.cz/svab/elektross/index.html • http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=259 • http://radek.jandora.sweb.cz/f14.htm • http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/2-3.htm • http://www.e-fyzika.cz/ • http://www.zslado.cz/vyuka_fyzika/e_kurz/9/ipolovodice/ipolovodicevykl.htm

28. Zdroje - obrázky a videa • http://www.youtube.com • http://led-2.navajo.cz/ • http://www.hy-line.de/index.php?L=1&id=1022 • http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photodiode-closeup.jpg • http://www.mirracle.ic.cz/elsch/elsch.htm • http://elektronika.host22.com/test/articles.php?article_id=1 • http://e10.blog.cz/rubrika/elektrotechnika • http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=5117 • http://www.sos.sk/?str=1 • http://www.gymcv.cz/view.php?cisloclanku=2005090002 • http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=456c656b74f8696e612061206d61676e657469736d7573h&key=542