Elektrický proud v polovodičích a jeijich využití, kvantová teorie, fotoelektrický jev
Polovodiče
např: Si, Ge, Te, Se, PbSD, CdS, GaAs….
– vedou proud při 2 podmínkách
a) mají-li měrný el. odpor mnohem větší, než vodiče, ale menší, než izolanty
b) teplota ovlivněna elektr. vlastnostmi látek
– vznik páru elektron – díra nazýváme generace a zánik kombinace
vodivost: a) vlastní – ovlivněna teplotou (s ní roste), volné částice s nábojem si dodává sám
– v krystalické mřížce křemíku je 10 elektronů pevně vázáno k jádru a 4 atomy jsou ve valenční vrstvě
– při nízké teplotě jsou elektrony vázány ve vazbách -> křemík je nevodič
– při zahřátí se elektrony uvolňují -> vznik volných elektronů a děr – generace páru elektron – díra -> křemík může vést el. proud
– díra se chová jako záporný náboj a rovněž se podílí na vedení proudu
b) příměsová – ovlivněna příměsemi, dvojího typu: P a N
– k čistému polovodiči přidáme atomy jiných prvků -> výrazné ovlivnění vodivosti
Příměsová vodivost typu P
– příměs elektrony odebírá = AKCEPTOR (z 3. řady PTP)
– např. Si + In
– díry jsou většinové (majoritní) a elektrony jsou menšinové (minoritní)
Příměsová vodivost typu N (negativní náboj)
– majoritní (většinové) elektrony a menšinové (minoritní) jsou díry
– vznikne přidáním prvku z 5. řady PTP (arsen, fosfor)
– příměs dodává elektrony = dárce neboli DONOR
Polovodičové součástky
Termistor – se zvyšující teplotou se zmenšuje odpor – indikátor teploty (digitální teploměry)
Fotorezistor – se zvyšujícím záření se zmenšuje odpor – regulace osvětlení
Polovodičová dioda
– skládá se ze dvou polovodičů (typu N a P)
– využívá se PN přechodu
– propouští el. proud pouze v jednom směru (propustném směru)
– využití – usměrňovače, dioda, LED dioda (luminiscenční dioda – přechod PN je doprovázen uvolňováním E ve formě světla světélkování)
+ C
hradlová vrstva
hradlová vrstva uprostřed
[+P+][][-N-]
– mění svou tloušťku podle směru a velikosti proudu (v závěrném směru se rozšíří a propouští jen min. proud)
Voltampérová charakteristika diody
propustný směr
závěrný směr
Ur – průrazné napětí (nesmíme překročit)
Uf – napětí hradlové vrstvy (0,5V)
Ir – maximální přípustný proud
– TRANZISTOR
– prvek se dvěma přechody NP
– př. zapojení se společnou bází, + nakreslit i fyzicky
E – emitor, B – báze, C – kolektor
– pokud obvodem emitoru neprotéká proud -> obvodem kolektoru také neprotéká proud
– při malém zvýšení napětí v obvodu emitoru se mnohonásobně zvýší proud v obvodu kolektoru -> regulací malých napětí na emitoru regulujeme velké proudy v obvodu kolektoru
– podle typu rozmístění rozlišujeme tranzistory PNP (a) a NPN (b) (NPN šipka ven)
– využití – zesilovače, řízení, prakticky veškerá elektronika a výpočetní technika je založena na tranzistorech, které jsou většinou vtěsnávány do integrovaných obvodů
Fotoelektrický jev
Fotoemise je uvolňování elektronů z některých kovů pokud na ně dopadalo světlo určité vlnové délky.
Elektromagnetické záření vydávají všechna tělesa. Chladná vyzařují infračervené záření okem neviditelné, tělesa zahřátá nad 500 °C září viditelně.
Planck svou kvantovou hypotézou vyslovil předpoklad, že záření vydávané a pohlcované jednotlivými atomy zahřátého tělesa nemůže mít libovolnou energii, ale vždy je vyzařováno nebo pohlcováno v určitých dávkách (kvantech). – ne spojitě. Energie takového záření je úměrná frekvenci a konstantou úměrnosti je tzv. Planckova konstanta h:
kvantum zářivé energie – FOTON – částice bez klidové hmotnosti
– pohybuje se rychlostí c
– tab. energie fotonu, druhá část viz otázka 9
– h – Planckova konstanta, tab. vzadu
Fotoelektrický jev
Kvantové vlastnosti záření se výrazně projevují při fotoelektrickém jevu, který pozorujeme u kovů (® vnější fotoel. jev) a polovodičů (® vnitřní fotoel. jev). Fotoelektrický jev byl znám už dlouho, ale až v 20. století byl vysvětlen.
vnější fotoelektrický jev – Dopadající záření uvolňuje z kovu elektrony.
Po ozáření krátkovlnným zdrojem se z katody uvolňují elektrony, které jsou přitahovány k anodě a dochází k uzavření elektrického obvodu – ampérmetrem prochází malý proud (fotoproud).
vnitřní fotoefekt – dopadající fotony uvolňují v polovodiči elektrony -> vznik děr -> vodivost (zůstávají v polovodiči a nejdou obvodem)
– využití – fotodiody,…
Zákonitosti:
1. Pro každý kov existuje mezní frekvence fm, při níž dochází k fotoemisi. Je-li f < fm, k fotoelektrickému jevu
nedochází.
2. Elektrický proud (počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný intenzitě dopadajícího záření.
3. Rychlost emitovaných elektronů (tedy i jejich kinetická energie) je přímo úměrná frekvencidopadajícího záření, závisí na materiálu katody a nezávisí na intenzitě dopadajícího záření.
– Einsteinova rovnice fotoefektu – uspokojivě vysvětlil fotoelektrický jev v 20. sotletí za využití Planckova vztahu a získal za to Nobelovu cenu:
– h * f – energie fotonu
– W – výstupní práce materiálu (nutná k uvolnění elektronu z kovu)
– [Wv] = J (častěji se používá jednotka eV – 1 eV = 1,602 * 10-19 J)
– ½ * m * v2 – energie vylétávajícího elektronu
– fotoemise nastane, pokud h * f > Wv * f > fm (mezní frekvence)
Fotoelektrický jev se uplatňuje v optoelektrických zařízeních, automatizačních soustavách, snímacích elektronkách televizních kamer, slunečních bateriích apod. Nejčastěji se využívá vnitřní fotoelektrický jev v polovodičových součástkách – fotorezistor a fotodioda.
Fotorezistor – pokud není osvětlen, má velký odpor, který se po osvětlení snižuje a obvodem s fotorezistorem prochází proud úměrný intenzitě dopadajícího záření.
Fotodioda – po osvětlení snižuje svůj odpor v závěrném směru (odporové zapojení) nebo na elektrodách diody vzniká napětí a fotodioda se stává zdrojem stejnosměrného napětí (hradlové zapojení). Schematická značka s šipkami opačně, než LED dioda
Solární energie – fotočlánky