Gymnázium, Havířov -Město, Komenského 2, p.o

1. Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. F16 - ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Mgr. Alexandra Bouchalová • Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“

2. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH • Pojem polovodiče • Vedení elektrického proudu v čistém polovodiči. Vlastní vodivost • Příměsové polovodiče • Přechod PN, polovodičová dioda • Tranzistor Elektrický proud v polovodičích 2

3. Pojem polovodiče vodič izolant polovodič Elektrický proud v polovodičích 3

4. Polovodiče • jsou pevné látky, jejichž elektrické vlastnosti závisí na vnějších i vnitřních podmínkách: • obsah příměsí • teplota • dopadající záření Si Ge Se Te C PbS CdS GaAs Termistor Fotorezistor Elektrický proud v polovodičích 4

5. Polovodiče • Vyhledejte pomocí vhodných zdrojů (internet, odborná literatura) obrázky termistoru a fotorezistoru a uveďte příklady jejich užití v praxi. • Zjisti, kde se v České republice vyrábí polovodičové součástky. • Je možné, aby byl teplotní součinitel  elektrického odporu záporný? Jaký by to mělo pro danou látku význam? Najdete příklad? • Který z prvků je nejvýznamnější pro výrobu polovodičových součástek? Elektrický proud v polovodičích 5

6. Vlastní vodivost • Ve valenční vrstvě jsou 4 elektrony. • Jádro křemíku obsahuje 14 protonů a 14 neutronů. • V elektronovém obalu je 14 elektronů. • Elektronové páry tvoří kovalentní vazbu. Si Si elektronový pár Elektrický proud v polovodičích 6

7. Vlastní vodivost Elementární buňka krystalu křemíku elektronový pár • Při nízkých teplotách jsou všechny elektrony zapojeny do vazeb a křemík se chová jako izolant. Elektrický proud v polovodičích 7

8. Čistý polovodič tepelným pohybem, dopadajícím zářením díra Si Si Si Si generace páru elektron-díra Si Si Si Si volný elektron rekombinace Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 8

9. Vlastní vodivost Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 9

10. Vlastní vodivost I = Id + Ie • Pohyb díry je jen relativní! Id děrový proud Ie elektronový proud Elektrický proud v polovodičích 10

11. Vlastní vodivost • Vlastní vodivost vlastní polovodiče • Hustota děr = hustota volných elektronů • S rostoucí teplotou se rychle zvětšuje Elektrický proud v polovodičích 11

12. Vlastní vodivost • Rezistivita čistého polovodiče s rostoucí teplotou KLESÁ. • Načrtni graf závislosti rezistivity na teplotě u kovů a polovodičů. Elektrický proud v polovodičích 12

13. Příměsové polovodiče Minoritním = menšinovým nosičem náboje je díra Majoritním = většinovým nosičem náboje je elektron Polovodič typu N Si Si Si Si donor + As Si Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 13

14. Příměsové polovodiče Minoritním = menšinovým nosičem náboje je elektron Majoritním = většinovým nosičem náboje je díra Polovodič typu P Si Si Si Si akceptor - In Si Si Si Si Si Si Si Si Elektrický proud v polovodičích 14

15. Příměsová vodivost • Vyvolaná pomocí třímocné (B, Al, Ga, In) či pětimocné (P, As, Sb) příměsi • Celkový náboj volných elektronů a děr je vyrovnán s nábojem nepohyblivých iontů příměsí. Elektrický proud v polovodičích 15

16. Příměsová vodivost • Čím je dána hustota volných nosičů náboje v příměsovém polovodiči při nízkých teplotách? • Co se bude dít v příměsovém polovodiči s rostoucí teplotou? • Proč je tento jev nežádoucí a jak mu můžeme zabránit? Elektrický proud v polovodičích 16

17. Příměsová vodivost • Jaká je hustota atomů v krystalu křemíku, je-li jeho hustota 2 330 ? • Jaká bude hustota donorů v křemíku typu N, připadá-li na 1 atom příměsi 108 atomů křemíku? Elektrický proud v polovodičích 17

18. Přechod PN 1 m Polovodič typu P Polovodič typu N - + - + - + HRADLOVÁ VRSTVA Elektrický proud v polovodičích 18

19. Dioda Polovodič typu P Polovodič typu N - + K A N P - + - + Elektrický proud v polovodičích 19

20. Diodový jev Polovodič typu P Polovodič typu N - + - + - + Elektrický proud v polovodičích 20

21. Diodový jev Polovodič typu P Polovodič typu N I - + - + - + Elektrický proud v polovodičích 21

22. Diodový jev Polovodič typu P Polovodič typu N - + - + - + Elektrický proud v polovodičích 22

23. Diodový jev Dioda v závěrném směru Dioda v propustném směru Elektrický proud v polovodičích 23

24. Provoz polovodičové diody v závěrném směru v propustném směru - - + + IF [A] UR [V] UT0 UBR UF [V] 0 0 IR [A] UBR = průrazné napětí UT0 = prahové napětí Elektrický proud v polovodičích 24

25. VA charakteristika polovodičové diody IF [A] UBR UR [V] UF [V] UT0 0 0 IR [A] Elektrický proud v polovodičích 25

26. Tranzistory • jsou zesilovací (aktivní) polovodičové prvky. bipolární unipolární • na zesilování se podílí oba typy nosičů nábojů (elektrony a díry) • na zesilování se podílí pouze jeden typ nosiče Elektrický proud v polovodičích 26

27. Tranzistor typu NPN C B C N kolektor = shromažďovač E B P báze NPN N emitor = vysílač nábojů E Elektrický proud v polovodičích 27

28. Tranzistor typu PNP C B C P kolektor E B N báze PNP P emitor E Elektrický proud v polovodičích 28

29. Princip činnosti tranzistoru typu NPN IC kolektor  = N proudový zesilovací činitel IC IB IB P R báze A A IE emitor N IE = IB + IC Elektrický proud v polovodičích 29

30. Princip činnosti tranzistoru typu NPN • Při daném zapojení je přechod BC v závěrném směru a přechod BE v propustném směru. • Obvodem báze (má velmi malý objem a je slabě dotována) začne procházet malý proud IB. • Většina elektronů je pak z emitoru přitahována ke kolektoru a jako menšinové nosiče volně prochází přechodem BC. • Tyto elektrony tvoří mnohokrát větší proud ICnež je proud IB. Elektrický proud v polovodičích 30

31. NPN tranzistor v zapojení se společným emitorem IC A IB R IE Obvod báze A Kolektorový obvod Elektrický proud v polovodičích 31

32. Tranzistor jako zesilovací prvek • Malá změna proudu báze IBzpůsobí v tranzistoru velkou změnu proudu kolektoru IC. • tranzistor má velké proudové zesílení • v bipolárním tranzistoru je kolektorový proud řízen proudem báze • k řízení je zapotřebí jen malý výkon Elektrický proud v polovodičích 32

33. Tranzistor Ukázky tranzistorů 1 Elektrický proud v polovodičích 33

34. Tranzistor Užití tranzistoru 2 Elektrický proud v polovodičích 34

35. Tranzistor Replika prvního tranzistoru3 Elektrický proud v polovodičích 35

36. Použitá literatura Literatura LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196-202-3 TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1 HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, 2000.ISBN 80-214-1868-0 Obrázky [1] VTM [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://vtm.e15.cz/files/imagecache/dust_filerenderer_normal/upload/aktuality/tranzistor_jpg_4b8cd07e1a.jpg [2] TechNet.cz [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/foto.aspx?r=sw_internet&foto1=PKA1fc043_Replica_of_first_transistor.jpg [3] SPŠ Mohelnice [online]. [cit. 2012-11-14]. Dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/obrazky/ tranzistory.png Elektrický proud v polovodičích

37. soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. • Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání • na gymnáziu Komenského v Havířově“