Polovodi�e - fyzik�ln� z�klady

Obsah >>>        

Polovodi�e jsou l�tky, kter� maj� m�rn� odpor mnohem v�t�� ne� kovov� vodi�e, ale men�� ne� izolanty. Vodivost polovodi�� siln� z�vis� na teplot� a na osv�tlen�. Nejv�znamn�j��m polovodi�em je k�em�k, d�le pak germanium, selen, fosfor, arzen a �ada dal��ch. Polovodi�Uplat�uj� se jako z�kladn� materi�ly pro konstrukci polovodi�ov�ch sou��stek (k�em�k), nebo jako slo�ky a p��m�si polovodi�ov�ch slou�enin. Elektrick� vlastnosti polovodi�� m��eme vysv�tlit na z�klad� vlastnost� jejich krystalov� m��ky. Nap��klad k�em�k je �ty�mocn� (m� 4 valen�n� elektrony) a jeho atomy jsou uspo��d�ny v krystalov� m��ce. P�i n�zk�ch teplot�ch jsou valen�n� elektrony siln� pout�ny v m��ce, k�em�k proud nevede. P�i zah��t� se ionty v krystalov� m��ce rozkmitaj� a doch�z� k uvol�ov�n� valen�n�ch elektron�. Opust�-li elektron sv� m�sto v m��ce (na obr. �ipky), objev� se m�sto, kde chyb� z�porn� n�boj. Toto pr�zdn� m�sto se naz�v� "d�ra" a chyb�j�c� z�porn� n�boj se navenek projev� jako n�boj kladn� (na obr. vyzna�en mod�e). Do "d�ry" m��e p�esko�it jin� elektron z krystalov� m��ky a doplnit chyb�j�c� z�porn� n�boj. Dojde k rekombinaci. Kladn� "d�ra" se v�ak objev� na m�st�, odkud elektron p�esko�il, vypad� to tedy, jako by se "d�ry" st�hovaly v krystalov� m��ce z m�sta na m�sto.

P�ipoj�me-li k tomuto polovodi�i zdroj nap�t�, za�nou se z�porn� elektrony p�esouvat ke kladn�mu p�lu, kladn� d�ry k p�lu z�porn�mu a nastane usm�rn�n� pohyb n�boj�. Elektrick� proud v polovodi��ch je zp�soben usm�rn�n�m pohybem uvoln�n�ch elektron� a "d�r". (na rozd�l od kov�, kde elektrick� proud vedou jen voln� elektrony). Pokud v polovodi�i vedou elektrick� proud elektrony a "d�ry" vznikl� v��e popsan�m zp�sobem, hovo��me o vlastn� vodivosti.


V technick� praxi maj� nejv�t�� vyu�it� tzv. nevlastn� polovodi�e, jejich� krystalov� m��ka byla "zne�i�t�na" nepatrn�m mno�stv�m p��m�s�. Vlastnosti polovodi�� jsou toti� siln� z�visl� na p��m�s�ch a vhodn�m v�b�rem p��m�si m��eme dos�hnout toho, aby v polovodi�i byl elektrick� proud veden bu� voln�mi elektrony (elektronov� vodivost, vodivost typu N), nebo "d�rami" (d�rov� vodivost, vodivost typu P).
typ N
 
Vodivost typu N (negativn�):
V krystalu k�em�ku jsou n�kter� atomy nahra�eny p�timocn�mi atomy, nap�. arzenu. Jejich �ty�i valen�n� elektrony se ��astn� vazeb, ale p�t� se ji� v chemick�ch vazb�ch nemohou uplatnit. Jsou velmi slab� v�zan� a ji� p�i n�zk�ch teplot�ch se stanou voln�mi elektrony.

V k�em�ku s p��m�s� p�timocn�ho prvku (��k� se mu donor) je nadbytek voln�ch elektron�, kter� po p�ipojen� ke zdroji zp�sobuj� jeho elektronovou vodivost typu N.
typ N Vodivost typu P (pozitivn�):
Zabuduj�-li se do krystalov� m��ky atomy trojmocn�ho prvku se t�emi valen�n�mi elektrony, nap�. india, chyb� pro obsazen� v�ech chemick�ch vazeb elektrony. V m�st� nenasycen� vazby vznikne "d�ra" s kladn�m n�bojem. Tuto "d�ru" m��e zaplnit elektron z n�kter� jin� vazby a "d�ra" se v krystalu p�esune na jeho m�sto.

P��m�s trojmocn�ho prvku (��k� se mu akceptor) vytv��� v krystalu k�em�ku nadbytek kladn�ch "d�r", kter� po p�ipojen� ke zdroji zp�sobuj� jeho d�rovou vodivost typu P.

Ke zm�n� vodivosti k�em�ku sta�� i nepatrn� mno�stv� p��m�si - sta��, aby na 100 milion� atom� k�em�ku p�ipadl jedin� atom p��m�si! Proto je technologie v�roby polovodi�� po�adovan�ch vlastnost� velmi n�ro�n�.
Diodov� jev
Nejv�t�� vyu�it� v elektronice m� p�echod PN. Naz�v� se tak oblast styku dvou polovodi�� s opa�n�m typem vodivosti. P�echod PN m� tu vlastnost, �e v jednom sm�ru j�m proud m��e proch�zet, zat�mco v opa�n�m sm�ru nikoli. Vysv�tlen� spo��v� v tom, �e polovodi� typu N obsahuje ve sv� krystalov� m��ce voln� pohybliv� z�porn� elektrony, polovodi� typu P m� v krystalov� m��ce voln� pohybliv� kladn� "d�ry". Na s�rii obr�zk� je zn�zorn�na situace na p�echodu PN v p��pad�, �e
     a) k p�echodu PN nen� p�ipojen zdroj nap�t�
     b) zdroj nap�t� je p�ipojen v z�v�rn�m sm�ru
     c) zdroj nap�t� je p�ipojen v propustn�m sm�ru

Bez zdroje nap�t�: (obr. vlevo)
V oblasti styku obou polovodi�� se ��st elektron� z oblasti N dostane do oblasti P a ��st "d�r" z oblasti P p�ejde do oblasti N. Voln� elektrony rekombinuj� s "d�rami", tak�e kolem p�echodu PN se vytvo�� nevodiv� oblast bez voln�ch n�boj� (na obr�zku vyzna�ena �edou barvou).

Z�v�rn� sm�r: (obr. uprost�ed)
P�ipoj�me-li k polovodi�i P z�porn� p�l a k polovodi�i N kladn� p�l zdroje, vzdaluj� se p�soben�m elektrick�ch sil voln� n�boje od p�echodu PN, oblast bez voln�ch n�boj� se roz����, jej� odpor vzroste a elektrick� proud p�echodem PN nem��e proch�zet. Nevodiv� oblasti bez voln�ch n�boj� ��k�me hradlov� vrstva.

Propustn� sm�r: (obr. vpravo)
Zm�n�me-li polaritu p�ipojen�ho zdroje, p�ech�zej� p�soben�m elektrick�ch sil voln� elektrony p�es p�echod PN ke kladn�mu p�lu a "d�ry" jsou p�itahov�ny k z�porn�mu p�lu. V�sledkem je z��en� hradlov� vrstvy a zmen�en� jej�ho odporu. Takto zapojen�m p�echodem PN proud proch�z�.
 
Bez nap�t� Z�v�rn� sm�r Propustn� sm�r
Popsan� jev, p�i kter�m z�vis� odpor p�echodu PN na polarit� p�ipojen�ho zdroje, naz�v�me diodov� jev. Prvek s jedn�m p�echodem PN je nejjednodu��� polovodi�ovou sou��stkou - je to polovodi�ov� dioda. Polovodi� P je p�ipojen k elektrod� naz�van� anoda, polovodi� N je p�ipojen ke katod�. Na obr�zku je zn�zorn�n vztah mezi strukturou diody (vlevo) a jej� sch�matickou zna�kou.
Dioda
Na dal��m obr�zku je sch�ma jednoduch�ho diodov�ho jednocestn�ho usm�r�ova�e. Ze st��dav�ho proudu z�sk�me po pr�chodu diodou pulzuj�c� stejnosm�rn� proud.
Usm�r�ova�

Tranzistory
Tranzistor je polovodi�ov� sou��stka se t�emi elektrodami - emitorem E, b�z� B a kolektorem K. Vyr�b� se ve dvou modifikac�ch:
  • NPN (emitor je polovodi� typu N, b�ze je vrstvi�ka polovodi�e typu P a kolektor je op�t polovodi� typu N
  • PNP (emitor je polovodi� typu P, b�ze je vrstvi�ka polovodi�e typu N a kolektor je op�t polovodi� typu P
Tranzistory
Rozd�l mezi tranzistorem typu NPN a typu PNP spo��v� v podstat� jen v opa�n� polarit� p�i jejich nap�jen�. Tranzistory jsou v obvodech zapojeny t�emi mo�n�mi zp�soby: "se spole�nou b�z�", "se spole�n�m kolektorem" nebo "se spole�n�m emitorem". Posledn� zapojen� je v elektronick�ch p��stroj�ch nej�ast�j��.
 
TranzistorTranzistor typu NPN v zapojen� se spole�n�m emitorem pracuje takto:
vstupn� elektrodou je b�ze a v�stupn� elektrodou je kolektor. Obvod b�ze je tvo�en p�echodem b�ze - emitor a je zapojen v propustn�m sm�ru. Kolektorov� obvod je tvo�en ob�ma p�echody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen v z�v�rn�m sm�ru. B�ze je tedy p�ipojena k mal�mu kladn�mu nap�t� a kolektor k velk�mu kladn�mu nap�t�. Jestli�e k b�zi p�ipoj�me zdroj mal�ho vstupn�ho nap�t� (nap��klad z mikrofonu nebo magnetofonov� hlavy), p�ech�zej� elektrony z emitoru do b�ze (propustn� sm�r), ale v�t�ina pokra�uje p�es p�echod b�ze - kolektor do kolektoru, proto�e jsou k n�mu p�itahov�ny velk�m kladn�m nap�t�m.

Mal� zm�na proudu IB v obvodu b�ze vyvol� velkou zm�nu proudu IK v obvodu kolektoru.

D�le�it�m parametrem tranzistoru je jeho proudov� zesilovac� �initel:
zes�len�
Hodnota zesilovac�ho �initele v podstat� ud�v� zes�len� tranzistoru a dosahuje podle typu a funkce v zapojen� hodnot n�kolika des�tek nebo stovek.
 
Unipol�rn� tranzistory ��zen� elektrick�m polem
U klasick�ho - bipol�rn�ho - tranzistoru se velikost proudu ��d� zm�nou nap�t� na jeho b�zi. Unipol�rn� tanzistory pracuj� na zcela jin�m principu - velikost proudu se ��d� elektrick�m polem a proto se jim ��k� tak� tranzistory ��zen� polem neboli FET (z angl. Field Effect Transistor). Z�kladem tranzistu FET je k�em�kov� desti�ka typu P, na kter� jsou vytvo�eny dal�� tenk� vrstvy N a P. K veden� proudu se vyu��v� jen vrstva N, kter� je do obvodu p�ipojena elektrodami S (source) a D (drain). Vrstva P tvo�� ��d�c� elektrodu G (gate). Mal�m nap�t�m na ��d�c� elektrod� vznikne elektrick� pole, kter� ovliv�uje pr��ez a odpor vodiv� dr�hy mezi elektrodami S a D. I malou zm�nou nap�t� m��eme m�nit odpor a t�m i proud tranzistoru ve velk�m rozsahu hodnot.
FET
Elektrick� obvody s tranzistory FET maj� nepatrnou spot�ebu proudu. Nap�jec� baterie proto vydr�� i n�kolik let (nap�. v hodink�ch) nebo se k nap�jen� mohou pou��t i mal� sol�rn� �l�nky (nap�. v kalkula�k�ch).