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. PolovodičUplatňují 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).
typ N
 
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.
typ 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.
 
Bez napětí Závěrný směr Propustný směr
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.
Dioda
Na dalším obrázku je schéma jednoduchého diodového jednocestného usměrňovače. Ze střídavého proudu získáme po průchodu diodou pulzující stejnosměrný proud.
Usměrňovač

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
Tranzistory
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.
 
TranzistorTranzistor 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:
zesílení
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.
FET
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).