Polovodiče - fyzikální základy |
Obsah >>> |
Polovodiče jsou látky, které mají měrný odpor mnohem větší než kovové vodiče, ale menší než izolanty. Vodivost polovodičů silně závisí na teplotě a na osvětlení. Nejvýznamnějším polovodičem je křemík, dále pak germanium, selen, fosfor, arzen a řada dalších.
Uplatňují se jako základní materiály pro konstrukci polovodičových součástek (křemík), nebo jako složky a příměsi polovodičových sloučenin. Elektrické vlastnosti polovodičů můžeme vysvětlit na základě vlastností jejich krystalové mřížky. Například křemík je čtyřmocný (má 4 valenční elektrony) a jeho atomy jsou uspořádány v krystalové mřížce. Při nízkých teplotách jsou valenční elektrony silně poutány v mřížce, křemík proud nevede. Při zahřátí se ionty v krystalové mřížce rozkmitají a dochází k uvolňování valenčních elektronů. Opustí-li elektron své místo v mřížce (na obr. šipky), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá "díra" a chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný (na obr. vyznačen modře). Do "díry" může přeskočit jiný elektron z krystalové mřížky a doplnit chybějící záporný náboj. Dojde k rekombinaci. Kladná "díra" se však objeví na místě, odkud elektron přeskočil, vypadá to tedy, jako by se "díry" stěhovaly v krystalové mřížce z místa na místo.
Připojíme-li k tomuto polovodiči zdroj napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat ke kladnému pólu, kladné díry k pólu zápornému a nastane usměrněný pohyb nábojů. Elektrický proud v polovodičích je způsoben usměrněným pohybem uvolněných elektronů a "děr". (na rozdíl od kovů, kde elektrický proud vedou jen volné elektrony). Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti.
V technické praxi mají největší využití tzv. nevlastní polovodiče, jejichž krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí. Vlastnosti polovodičů jsou totiž silně závislé na příměsích a vhodným výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).
Vodivost typu N (negativní):
V krystalu křemíku jsou některé atomy nahraženy pětimocnými atomy, např. arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se stanou volnými elektrony.
V křemíku s příměsí pětimocného prvku (říká se mu donor) je nadbytek volných elektronů, které po připojení ke zdroji způsobují jeho elektronovou vodivost typu N.Vodivost typu P (pozitivní):
Zabudují-li se do krystalové mřížky atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo.
Příměs trojmocného prvku (říká se mu akceptor) vytváří v krystalu křemíku nadbytek kladných "děr", které po připojení ke zdroji způsobují jeho děrovou vodivost typu P.
Ke změně vodivosti křemíku stačí i nepatrné množství příměsi - stačí, aby na 100 milionů atomů křemíku připadl jediný atom příměsi! Proto je technologie výroby polovodičů požadovaných vlastností velmi náročná.
Diodový jev
Největší využití v elektronice má přechod PN. Nazývá se tak oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Přechod PN má tu vlastnost, že v jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Vysvětlení spočívá v tom, že polovodič typu N obsahuje ve své krystalové mřížce volně pohyblivé záporné elektrony, polovodič typu P má v krystalové mřížce volně pohyblivé kladné "díry". Na sérii obrázků je znázorněna situace na přechodu PN v případě, že
a) k přechodu PN není připojen zdroj napětí
b) zdroj napětí je připojen v závěrném směru
c) zdroj napětí je připojen v propustném směru
Bez zdroje napětí: (obr. vlevo)
V oblasti styku obou polovodičů se část elektronů z oblasti N dostane do oblasti P a část "děr" z oblasti P přejde do oblasti N. Volné elektrony rekombinují s "děrami", takže kolem přechodu PN se vytvoří nevodivá oblast bez volných nábojů (na obrázku vyznačena šedou barvou).
Závěrný směr: (obr. uprostřed)
Připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN, oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva.
Propustný směr: (obr. vpravo)
Změníme-li polaritu připojeného zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony 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.
Popsaný jev, při kterém závisí odpor přechodu PN na polaritě připojeného zdroje, nazýváme diodový jev. Prvek s jedním přechodem PN je nejjednodušší polovodičovou součástkou - je to polovodičová dioda. Polovodič P je připojen k elektrodě nazývané anoda, polovodič N je připojen ke katodě. Na obrázku je znázorněn vztah mezi strukturou diody (vlevo) a její schématickou značkou. ![]()
![]()
![]()
Na dalším obrázku je schéma jednoduchého diodového jednocestného usměrňovače. Ze střídavého proudu získáme po průchodu diodou pulzující stejnosměrný proud.
Tranzistory
Tranzistor je polovodičová součástka se třemi elektrodami - emitorem E, bází B a kolektorem K. Vyrábí se ve dvou modifikacích:
- NPN (emitor je polovodič typu N, báze je vrstvička polovodiče typu P a kolektor je opět polovodič typu N
- PNP (emitor je polovodič typu P, báze je vrstvička polovodiče typu N a kolektor je opět polovodič typu P
Rozdíl mezi tranzistorem typu NPN a typu PNP spočívá v podstatě jen v opačné polaritě při jejich napájení. Tranzistory jsou v obvodech zapojeny třemi možnými způsoby: "se společnou bází", "se společným kolektorem" nebo "se společným emitorem". Poslední zapojení je v elektronických přístrojích nejčastější.
Tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem pracuje takto:
vstupní elektrodou je báze a výstupní elektrodou je kolektor. Obvod báze je tvořen přechodem báze - emitor a je zapojen v propustném směru. Kolektorový obvod je tvořen oběma přechody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen v závěrném směru. Báze je tedy připojena k malému kladnému napětí a kolektor k velkému kladnému napětí. Jestliže k bázi připojíme zdroj malého vstupního napětí (například z mikrofonu nebo magnetofonové hlavy), přecházejí elektrony z emitoru do báze (propustný směr), ale většina pokračuje přes přechod báze - kolektor do kolektoru, protože jsou k němu přitahovány velkým kladným napětím.
Malá změna proudu IB v obvodu báze vyvolá velkou změnu proudu IK v obvodu kolektoru.
Důležitým parametrem tranzistoru je jeho proudový zesilovací činitel:
Hodnota zesilovacího činitele v podstatě udává zesílení tranzistoru a dosahuje podle typu a funkce v zapojení hodnot několika desítek nebo stovek.
Unipolární tranzistory řízené elektrickým polem
U klasického - bipolárního - tranzistoru se velikost proudu řídí změnou napětí na jeho bázi. Unipolární tanzistory pracují na zcela jiném principu - velikost proudu se řídí elektrickým polem a proto se jim říká také tranzistory řízené polem neboli FET (z angl. Field Effect Transistor). Základem tranzistu FET je křemíková destička typu P, na které jsou vytvořeny další tenké vrstvy N a P. K vedení proudu se využívá jen vrstva N, která je do obvodu připojena elektrodami S (source) a D (drain). Vrstva P tvoří řídící elektrodu G (gate). Malým napětím na řídící elektrodě vznikne elektrické pole, které ovlivňuje průřez a odpor vodivé dráhy mezi elektrodami S a D. I malou změnou napětí můžeme měnit odpor a tím i proud tranzistoru ve velkém rozsahu hodnot.
Elektrické obvody s tranzistory FET mají nepatrnou spotřebu proudu. Napájecí baterie proto vydrží i několik let (např. v hodinkách) nebo se k napájení mohou použít i malé solární články (např. v kalkulačkách).