Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

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

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“

F16 - ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH

SOUBOR PREZENTACÍ FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA

Mgr. Alexandra Bouchalová

ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH

Pojem polovodičeVedení elektrického proudu v čistém

polovodiči. Vlastní vodivostPříměsové polovodičePřechod PN, polovodičová diodaTranzistor

Elektrický proud v polovodičích 2

Pojem polovodiče

Elektrický proud v polovodičích 3

vodič m; 68 1010

izolant m 1010

polovodič m; 84 1010

Polovodiče

Elektrický proud v polovodičích 4

jsou pevné látky, jejichž elektrické vlastnosti závisí na vnějších i vnitřních podmínkách:

teplotadopadající záření

SiGeSeTeC

PbSCdS

GaAs

TermistorFotorezistor

obsah příměsí

Polovodiče

Elektrický proud v polovodičích 5

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?

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 6

Si Si

elektronový pár

• Jádro křemíku obsahuje 14 protonů a 14 neutronů.• Ve valenční vrstvě jsou 4 elektrony.• Elektronové páry tvoří kovalentní vazbu.• V elektronovém obalu je 14 elektronů.

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 7

elektronový pár

Elementární buňka krystalu křemíku

Při nízkých teplotách jsou všechny elektrony zapojeny do vazeb a křemík se chová jako izolant.

Čistý polovodič

Elektrický proud v polovodičích 8

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si

Si

Si

generace páru elektron-díra

rekombinace

díra

volný elektron

tepelným pohybem, dopadajícím zářením

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 9

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si

Si

Si

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 10

IdIe

děrový proud

elektronový proud

I = Id + Ie

Pohyb díry je jen relativní!

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 11

Vlastní vodivost vlastní polovodiče

Hustota děr = hustota volných elektronů

S rostoucí teplotou se rychle zvětšuje

Vlastní vodivost

Elektrický proud v polovodičích 12

Rezistivita čistého polovodiče s rostoucí teplotou KLESÁ.

Načrtni graf závislosti rezistivity na teplotě u kovů a polovodičů.

Příměsové polovodiče

Elektrický proud v polovodičích 13

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si

Si

Si

As+

donor

Polovodič typu N Majoritním = většinovým nosičem náboje je elektronMinoritním = menšinovým nosičem náboje je díra

Příměsové polovodiče

Elektrický proud v polovodičích 14

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si

Si

Si

In-

akceptor

Polovodič typu P Majoritním = většinovým nosičem náboje je díraMinoritním = menšinovým nosičem náboje je elektron

Příměsová vodivost

Elektrický proud v polovodičích 15

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.

Příměsová vodivost

Elektrický proud v polovodičích 16

Co se bude dít v příměsovém polovodiči s rostoucí teplotou?

Čím je dána hustota volných nosičů náboje v příměsovém polovodiči při nízkých teplotách?

Proč je tento jev nežádoucí a jak mu můžeme zabránit?

Příměsová vodivost

Elektrický proud v polovodičích 17

Jaká bude hustota donorů v křemíku typu N, připadá-li na 1 atom příměsi 108 atomů křemíku?

Jaká je hustota atomů v krystalu křemíku, je-li jeho hustota 2 330 ?3mkg

Přechod PN

Elektrický proud v polovodičích 18

Polovodič typu P Polovodič typu N

-

-

-

+

+

+

HRADLOVÁ VRSTVA

1 m

Dioda

Elektrický proud v polovodičích 19

Polovodič typu P Polovodič typu N

-

-

-

+

+

+

P NA K

Diodový jev

Elektrický proud v polovodičích 20

Polovodič typu P Polovodič typu N

-

-

-

+

+

+

Diodový jev

Elektrický proud v polovodičích 21

Polovodič typu P Polovodič typu N

-

-

-

+

+

+

I

Diodový jev

Elektrický proud v polovodičích 22

Polovodič typu P Polovodič typu N

-

-

-

+

+

+

Diodový jev

Elektrický proud v polovodičích 23

Dioda v propustném směruDioda v závěrném směru

Provoz polovodičové diody

Elektrický proud v polovodičích 24

+ - +-

v závěrném směru v propustném směru

UR [V]

IR [A]

0 0UF [V]

IF [A]

UBR UT0

UT0 = prahové napětíUBR = průrazné napětí

VA charakteristika polovodičové diody

Elektrický proud v polovodičích 25

UR [V]

IR [A]

00UF [V]

IF [A]

UBR UT0

Tranzistory

Elektrický proud v polovodičích 26

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

Tranzistor typu NPN

Elektrický proud v polovodičích 27

N

N

P

B

C

E

NPN

B

C

E

kolektor = shromažďovač

báze

emitor = vysílač nábojů

Tranzistor typu PNP

Elektrický proud v polovodičích 28

P

P

N

B

C

E

PNP

B

C

E

kolektor

báze

emitor

Princip činnosti tranzistoru typu NPN

Elektrický proud v polovodičích 29

kolektor

báze

emitor

R

A A

N

N

PIB

IC

IE

IE = IB + IC

=IC

IB

proudový zesilovací činitel

Princip činnosti tranzistoru typu NPN

Elektrický proud v polovodičích 30

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 IC než je proud IB.

NPN tranzistor v zapojení se společným emitorem

Elektrický proud v polovodičích 31

A

Kolektorový obvod

A

R

Obvod báze

IB

IE

IC

Tranzistor jako zesilovací prvek

Elektrický proud v polovodičích 32

Malá změna proudu báze IB způsobí v tranzistoru velkou změnu proudu kolektoru IC.

tranzistor má velké proudové zesílenív bipolárním tranzistoru je kolektorový proud

řízen proudem bázek řízení je zapotřebí jen malý výkon

Tranzistor

Elektrický proud v polovodičích 33

Ukázky tranzistorů 1

Tranzistor

Elektrický proud v polovodičích 34

Užití tranzistoru 2

Tranzistor

Elektrický proud v polovodičích 35

Replika prvního tranzistoru 3

Použitá literatura

LiteraturaLEPIL, 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

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“

SOUBOR PREZENTACÍ FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA