Vedení elektrického proudu v látkách I

1. Vedení elektrického proudu v látkách I Mgr. Andrea Cahelová Hlučín 2013

2. Polovodiče • Látky, které za určitých podmínek vedou dobře elektrický proud • Osvětlení – fotorezistor • Teplota – termistor • Mohou být vlastní nebo nevlastní (N, P) • Jejich měrný elektrický odpor se pohybuje v rozsahu od 10-6 do 108

3. Vlastní vodivost • Krystal křemíku, • Má 4 valenční elektrony – kovalentní vazba, • Dodáním energie (v eV) dochází ke vzniku páru elektron-díra, zánik páru = rekombinace, • Elektrický proud = Iděrový + Ielektronový. • Závislost odporu polovodiče na teplotě: R/Ω t/ ⁰C

4. Příměsové polovodičea) polovodič typu A(negativní) • Vznikne přidáním prvku z páté skupiny MT (P, As, Sb) do krystalu křemíku. • Z pěti valenčních elektronů např. fosforu se čtyři uplatní v kovalentní vazbě s atomy křemíku. Páté elektrony jsou vázány jen slabě a už při nízkých teplotách se volně pohybují krystalem. • Z příměsí se stávají nepohyblivé kationty – donory (dárce). • V krystalu převažují volné elektrony – většinové nosiče (majoritní), díry – menšinové (minoritní).

5. b) polovodič typu P(pozitivní) • Do krystalu křemíku přidáme prvky z třetí skupiny MT (B, Al, In). • Tři valenční elektrony se uplatní v kovalentní vazbě. Vznikne díra s kladným nábojem, do které snadno přeskočí elektron sousedního atomu. • Příměsi – nepohyblivé anionty – akceptory (příjemce). • Díry jsou v tomto typu polovodiče většinoví nosiči, volné elektrony menšinoví. … příměsová vodivost polovodičů.

6. Úkol: • Najděte na internetu využití polovodičových součástek • Vysvětlení pojmů: dioda, fotočlánek, tranzistor, relé, integrovaný obvod

7. Polovodičová dioda • Elektrotechnická součástka s jedním přechodem PN se dvěma vývody. • Anoda je polovodič typu P, katoda typu N. • Vodivost závisí na směru napětí. • Diodový jev: Zapojení diody: a) v propustném směru b) v závěrném směru. anoda katoda

8. V propustném směru: – obvodem prochází proud, žárovka svítí. V závěrném směru: – obvodem prochází nepatrný proud, který nelze ani změřit, žárovka nesvítí. a k + +

9. PN přechod donor hradlová vrstva (1m) N P • Volné elektrony a díry konají neuspořádaný pohyb a v oblasti hradlové vrstvy rekombinací zanikají. • V hradlové vrstvě vznikne vlivem akceptorů a donorů elektrické pole s intenzitou, která směřuje z oblasti N do P. • Zapojením diody v propustném směru je hradlová vrstva potlačena vzniklým elektrickým polem ve vodiči. • V závěrném směru se hradlová vrstva zvětší. +d + - -e akceptor

10. Voltampérová charakteristika diody I A IFM – maximální hodnota proudu, kterou udává výrobce, při překročení dojde poškození diody. UBR – průrazné napětí, při jeho překročení může dojít k prudkému růstu proudu a ke zničení diody. IFM propustný směr UBR U V závěrný směr

11. Využití diody: • Usměrňovač střídavého proudu. • Ke stabilizaci obvodu. • LED diody (luminiscenční) – vznik viditelného nebo infračerveného záření. • Fotodiody – zdroj elektrického napětí, sluneční články.

12. Tranzistor • Polovodičová součástka se dvěma přechody PN a třemi vývody. • Může být typu PNP nebo NPN (NPN šipka ven). kolektor C báze B emitor E C B PNP E

13. Tranzistorový jev • Při zapojení dochází v kolektorovém obvodu k zesílení proudu – zesilovač. Využití tranzistoru: • Zesilovač • Přepínač, nahrazuje relé Rozvoj polovodičových součástek vedl k vývoji integrovaných obvodů (rozvoj mikroelektroniky): – křemíková destička s celým funkčním obvodem, plnící matematické operace, logické funkce a převod signálů. Nejdokonalejší integrovaný obvod – mikroprocesor.

14. Odkazy: • Videopokusy... • Milionář z fyziky... • Applety na celou fyziku... (lze zvolit češtinu) • Videa z elektřiny a magnetismu... • Videa z elektřiny a magnetismu...

15. Otázky k opakování: • Co je to termistor? • Jak závisí odpor polovodiče na teplotě? • Jak vznikne akceptor? • Jak vznikne polovodič typu P • Co popisuje diodový jev? • Kde vznikne hradlová vrstva? • Jaký jev využívá fotodioda k vytvoření elektrického proudu? • Kdy dioda nevede elektrický proud? • Kdy vznikne tepavý proud? • Co je to rekombinace? • K čemu se využívá dioda? • Jak se dá změnit vodivost, nevodivost diody? • Co jeto ledka? • Jak se nazývá součástka se dvěma PN přechody? • Co je to tranzistorový jev?

16. Použitá literatura • LEPIL, O., ŠEDIVÝ, P. Fyzika pro gymnázia – Elektřina a magnetismus. Praha: Prometheus, 2000. ISBN 80-7196-202-3. • LEPIL, O., BEDNAŘÍK, M., HÝBLOVÁ, R. Fyzika pro střední školy 2. Praha: Prometheus, 1992. ISBN 80-85849-05-4.