15) Elektrický proud v kovech a polovodičích

Princip vedení elektrického proudu v kovech

Vedení elektrického proudu

Valenční elektrony jsou k atomovým jádrům vázány slabými silami. V krystalech kovů jsou prakticky volné a chaoticky se pohybují mezi kladnými

ionty krystalové mřížky. Těmto vodivostním elektronům se říká elektronový plyn, protože chaotický pohyb elektronů je možné přirovnat k tepelnému

pohybu molekul plynu. Celkový počet vodivostních elektronů je srovnatelný s počtem atomů ve vodiči. Střední kinetická rychlost chaotického pohybu

elektronů je velká (řádově ) a prakticky nezávisí na teplotě.

Připojíme-li vodič ke svorkám zdroje, vznikne v celém objemu vodiče elektrické pole. Jeho působením je záporně nabitý elektron unášen proti směru

elektrické intenzity (což vyplývá dohodnutého směru elektrického proudu). Tedy vedle chaotického pohybu elektronů dochází ještě k uspořádanému

unášivému pohybu, který je podstatou elektrického proudu v kovech. Nepravidelnosti krystalové mříže brzdí pohyb elektronů, což se navenek projeví

jako odpor vodiče.

I zde platí analogie mezi elektrickým proudem (tj. usměrněným pohybem nabitých částic) a větrem (tj. pohybem částic vzduchu jedním směrem).

Nechť má vodič průřez

, hustota vodivostních elektronů je a velikost rychlosti jejich unášivého pohybu je

(obr. 48). Potom v objemu je

celkem elektronů. Za uvažovanou dobu tedy projde uvedeným průřezem vodiče náboj . Proud, který vodičem proteče, je

. Velikost rychlosti unášivého pohybu elektronů je velmi malá ve srovnání s velikostí rychlosti jejich tepelného pohybu (řádově ).

Obr. 48

Skutečnost, že např. po zapnutí vypínače u dveří místnosti se okamžitě rozsvítí žárovka visící uprostřed místnosti, je způsobena tím, že se elektrony

začnou pohybovat všechny najednou. „Nerozjíždějí se“ tedy jako auta na křižovatce (vyjede první, druhý mezitím řadí a pak teprve vyjede, pak řadí

a vyráží třetí, …), ale „rozjíždějí se“ najednou. Jakmile je vytvořeno elektrické pole - a to je vytvořeno v okamžiku zapnutí obvodu - všechny elektrony

se začnou pohybovat uspořádaným unášivým pohybem. Proto se žárovka rozsvítí okamžitě.

Vysvětlení závislosti odporu kovu na teplotě

Z Ohmova zákona vyplývá, že při konstantní teplotě je velikost unášivé rychlosti

přímo úměrná velikosti elektrické intenzity pole ve vodiči.

Připojíme-li vodič délky

o měrném odporu ke zdroji o svorkovém napětí

, můžeme postupně psát: . Odtud pro velikost

rychlosti pohybu elektronů dostáváme , kde je pohyblivost elektronů; .

Elektrický odpor kovových vodičů je důsledkem srážek vodivostních elektronů s nepravidelnostmi krystalové mříže. U čistých kovů se za obvyklých

teplot (řádově ) projevují především tepelné kmity iontů mříže. S rostoucí teplotou se amplituda kmitů zvětšuje a srážky iontů s elektrony jsou

častější - odpor vodiče roste a velikost unášivé rychlosti elektronů klesá. Teplotní součinitel odporu má u čistých kovů hodnotu okolo .

Ve slitinách kovů se mnohem více uplatňují trvalé nepravidelnosti mříže. Měrný odpor slitin je proto větší něž měrný odpor čistých kovů, z nichž je

slitina vytvořena, a teplotní součinitel odporu je malý.

Princip vedení elektrického proudu ve vlastních a nevlastních polovodičích

Polovodiče - zápis do sešitu

Podle vodivosti rozdělujeme látky na:

VODIČE - látky, které dobře vedou elektrický proud (např. kovy)

NEVODIČE (IZOLANTY) - nevedou elektrický proud, zeslabují elektrické pole

POLOVODIČE - vedou elektrický proud za určitých podmínek

Polovodič stejně jako každá jiná látka je složen z atomů, které obsahují protony, neutrony a elektrony.

Valenční elektrony (v poslední slupce) umožňují vazbu s jinými atomy a za určitých podmínek mohou vést elektrický proud.

Vnější podmínky měnící vodivost polovodičů:

zahřátí

ozáření

Základní vlastnosti polovodičů:

měrný elektrický odpor polovodičů s rostoucí teplotou rychle klesá

teplotní součinitel odporu je záporný (α < 0)

Mezi polovodiče řadíme:

prvky - Ge, Si, C, Se, Te

sloučeniny - PbS (sulfid olovnatý)

organická látka hemoglobin

TERMISTOR = polovodičová součástka využívající známé závislosti měrného elektrického odporu na teplotě

využití: měření teploty (odporové teploměry)

- měření teploty v žíle pacienta

- rozložení teploty v listu stromu

Vlastní polovodiče

Vlastní polovodič je polovodič neobsahující žádné příměsi.

Mohou se ale v jeho struktuře objevit nějaké nečistoty, ale ty nebudeme v dalším výkladu uvažovat.

Nejvýznamnějším materiálem pro výrobu polovodičových součástek je čistý monokrystalický křemík. Atom křemíku má 14 elektronů, z nichž je 10

pevně vázáno k jádru a zbývající 4 vytvářejí elektronové vazebné dvojice se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce. Křemík krystalizuje

v diamantové struktuře, tj. plošně centrovaná kubická soustava. Na uvolnění elektronu z této kovalentní vazby je zapotřebí energie, která překoná

vazebnou energii . Tuto energii musí elektron získat najednou a jsou tyto možnosti jejího získání:

1. tepelná excitace - kladné ionty krystalové mřížky neustále kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Díky tomuto pohybu může elektron získat

energii, která stačí na překonání energie vazebné. Při pokojových teplotách ( ) je energie tepelných kmitů a uvolňuje se

tedy tímto způsobem velice málo elektronů. S rostoucí teplotou se jejich počet ale zvětšuje.

2. světelná excitace (vnitřní fotoefekt) - elektron může energii získat dopadem elektromagnetického záření (a tedy i světla). Záření má energii,

která je přímo úměrná jeho frekvenci. Energie viditelného světla se pohybuje v rozmezí .

Viditelné světlo tedy může způsobit excitaci elektronu resp. jeho vytržení z krystalické mříže atomu.

3. excitace silným elektrickým polem - při pokojových teplotách nepřipadá tento způsob excitace v úvahu, neboť by byla nutná elektrická intenzita

takové velikosti, která by daný materiál zničila (nastal by tzv. elektrický průraz materiálu).

Dojde-li k uvolnění elektronu ( ), začne se pohybovat krystalem. Na jeho místě vzniká prázdné místo, které má kladný náboj a které se může

v krystalu také pohybovat. Tato kvazičástice (objekt, který se chová skoro jako částice) se nazývá díra ( ). Pohyb díry se děje v krystalu tak, že na

chybějící místo po uvolněném elektronu se dostane jiný elektron a díra tedy vznikne jinde.

… tak se vlastně díra přesunula na jiné místo krystalu.

Proces vzniku páru elektron - díra se nazývá generace. Ke generaci je nutno dodat energii.

Tuto energii lze dodat jedním z výše uvedených způsobů.

Obr. 62

Struktura polovodiče bude zakreslována pouze v rovině tak, jak ukazuje obr. 62. Ve skutečnosti se jedná pochopitelně o trojrozměrný útvar.

Dojde-li k setkání elektronu a díry, ztrácí elektron část své energie a zapojuje se opět do vazebné dvojice. Tomuto procesu se říká rekombinace. Při

rekombinaci se uvolňuje energie. V polovodiči se při stálé teplotě udržuje dynamická rovnováha mezi generací a rekombinací.

Zapojíme-li polovodič do elektrického obvodu, vzniká v něm elektrické pole, které způsobuje upořádaný pohyb děr ve směru elektrické intenzity

a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný elektrický proud v polovodiči je součtem proudu elektronového a děrového: . Hustota

elektronů se s rostoucí teplotou zvětšuje, proto měrný elektrický odpor klesá na rozdíl od kovů, kde je hustota volných elektronů konstantní a měrný

odpor se s rostoucí teplotou zvětšuje. V kovech totiž nedochází k uvolňování dalších elektronů z vazeb mříže.

Právě popsaný typ elektrické vodivosti se nazývá vlastní vodivost.

Vlastní proto, že do struktury polovodiče nebyla přidána žádná příměs.

Příměsové polovodiče

Příměsové polovodiče jsou polovodiče, které obsahují příměsi - atomy jiného prvku.

Energie, která je nutná k odtržení elektronu od atomu prvku, podstatným způsobem ovlivňuje vlastnosti polovodičů. Cizí atom se může vyskytovat v:

1. substituční poloze - nahradí vlastní atom v jeho poloze v krystalické mřížce

2. intersticiální poloze - cizí atom se nachází mimo krystalickou mřížku, mimo tzv. uzlové body

V polovodičích se využívá substituční poloha, protože při umístění do intersticiální polohy se mění i objem polovodiče. S rostoucím objemem klesá

objemová hustota vodivostních částic (počet částic na jednotku objemu), což se výrazně projeví na vodivosti polovodiče. K výrazným změnám vlastností

polovodičů dochází totiž už při koncentraci 1 atom cizího prvku na atomů čistého prvku (většinou křemíku). Vodivost vyvolaná pomocí příměsí se

nazývá příměsová vodivost.

Přidáme-li do křemíku, který se nachází ve čtvrté skupině periodické soustavy prvků (PSP), prvek z páté skupiny (P, As, Sb, …), podílí se jen čtyři

z pěti valenčních elektronů na kovalentní vazbě s křemíkem. Pátý elektron je vázán slabě (viz obr. 63), může se uvolnit a začít se pohybovat krystalem.

Prvky 5. skupiny se stávají nepohyblivými kladnými ionty a nazývají se donory (dárci) - dávají k dispozici elektron. V takto upraveném krystalu převažují

elektrony - jsou tedy většinovými (majoritními) nositeli náboje. Díry jsou menšinové (minoritní) nositelé náboje. Vytvořili jsme tak polovodič s

elektronovou vodivostí, který se nazývá polovodič typu N.

Elektrony převažují proto, že kromě uvolněných elektronů od prvků z 5. skupiny PSP jsou v krystalu i volné elektrony vzniklé tepelnou generací.

Mechanismy vlastní vodivosti nelze zrušit.

Obr. 63 Obr. 64

Přidáme-li do křemíku prvek ze třetí skupiny PSP (B, Al, Ga, In, …), obsadí svými elektrony jen tři vazby. Po chybějícím elektronu, který by se podílel

na další vazbě, vznikne díra (viz obr. 64), která může být snadno zaplněna přeskokem elektronu z některého sousedního atomu křemíku. Díra se tak

může pohybovat krystalem. Příměsi se stávají nepohyblivými zápornými ionty a nazývají se akceptory (příjemce).

Přijímají totiž elektrony od původního prvku polovodiče.

Majoritními nositeli náboje jsou díry, minoritními elektrony. Tímto způsobem vznikl polovodič s děrovou vodivostí, který se nazývá polovodič typu

Typy polovodičů si lze pamatovat jednoduše: elektronová vodivost je způsobena elektrony se záporným (negativním) nábojem a vzniká polovodič

typu N; vodivost děrová je způsobena dírami s kladným (pozitivním) nábojem - vzniká polovodič typ P.

Hustota volných nositelů náboje v příměsových polovodičích je při nízkých teplotách konstantní. Při zvyšování teploty se začíná uplatňovat také

vodivost vlastní, která zvyšuje koncentraci zejména minoritních nositelů náboje. U většiny polovodičových součástek je tento jev nežádoucí, proto musí

být součástky chlazeny.

Diodový a tranzistorový jev

Diodový jev, dioda

PŘECHOD PN = rozhraní dvou polovodičů s různým typem vodivosti

DĚJE PROBÍHAJÍCÍ NA PŘECHODU PN

difúze elektronů z N do P

difúze děr z P do N

v N při rozhraní nevykompenzované (přebytek) kladných iontů (+)

v P při rozhraní nevykompenzované (přebytek) záporných iontů (-)

HRADLOVÁ VRSTVA (1 mikrometr)

vytvoření elektrické dvojvrstvy (napěťové bariéry), která zabraňuje přechodu dalších volných částic (velký odpor)

ZAŘAZENÍ POLOVODIČE S PŘECHODEM PN DO ELEKTRICKÉHO POLE

existují 2 možné způsoby:

1. případ:

(+) pól zdroje je připojen k polovodiči typu P

(-) pól zdroje je připojen k polovodiči typu N

vliv vnějšího elektrického pole - zeslabení elektrické dvojvrstvy - obvodem prochází elektrický proud

POLOVODIČ JE ZAŘAZEN V PROPUSTNÉM SMĚRU

2. případ:

(+) pól zdroje je připojen k polovodiči typu N

(-) pól zdroje je připojen k polovodiči typu P

vliv vnějšího elektrického pole - zesílení elektrické dvojvrstvy - obvodem neprochází elektrický proud

POLOVODIČ JE ZAŘAZEN V ZÁVĚRNÉM SMĚRU

DIODA = polovodičová součástka založená na jednom přechodu PN

značka:

rozdělení diod:

Podle KONSTRUKCE

HROTOVÉ PLOŠNÉ

2 destičky s různou vodivostí (P a N)

snese větší napěťové zatížení

Podle POUŽITÍ

ZENEROVA FOTODIODA KAPACITNÍ LUMINISCENČNÍ (LED)

Tranzistorový jev a jeho technické využití

TRANZISTOR = polovodičová součástka obsahující 2 přechody PN, má 3 vývody

kolektor (C)

báze (B)

emitor (E)

Rozdělení tranzistorů:

BIPOLÁRNÍ TRANZISTORY

(řízeny proudem BÁZE)

PNP NPN

ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY ZAPOJENÍ TRANZISTORU NPN

Se společným EMITOREM Se společnou BÁZÍ Se společným KOLEKTOREM

V praxi nejčastější zapojení SE SPOLEČNÝM EMITOREM

>> I

ovlivňuje I

v obvodu

malá změna I

způsobí velkou změnu I

proto se využívají tranzistory jako zesilovače

spojení několika tranzistorů - vícestupňové zesilovače

UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY

Užití a přednosti polovodičové techniky

Polovodičové součástky (přehled)

Přednosti polovodičové techniky:

vysoká spolehlivost

mechanicky odolné

energeticky i materiálově úsporné

Jednotlivé součástky:

Název Charakteristika Značka Využití

DIODA polovodičová součástka založená na jednom přechodu PN jako usměrňovač

FOTODIODA polovodičová dioda, která je citlivá na osvětlení PN přechodu světlem

určité vlnové délky

k měření osvětlení

TRANZISTOR polovodičová součástka založená na dvou přechodech PN jako zesilovač

FOTOREZISTOR pasivní elektronická součástka bez PN přechodu, jejíž elektrický odpor

se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla

při měření intenzity světla (soumrakové spínače,

fotoaparáty)

TYRISTOR čtyřvrstvá dioda obsahující tři přechody PN jako regulátor a spínač

DIAK je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma

směry, nemá řídící elektrodu a je tedy ovládán jen vstupním napětím

a nedá se řídit

jako spínač

TRIAK je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma

směry, vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou

antiparalelně zapojených tyristorů, u kterých jsou řídicí elektrody

propojeny v jednu.

jako spínač

TERMISTOR polovodičová součástka založená na známé závislosti měrného el.

odporu na teplotě

jako odporové teploměry

INTEGROVANÝ

OBVOD

elektronická součástka obsahující pasívní (rezistory, kondenzátory,

cívky) a aktivní (tranzistory) obvodové prvky umístěné nastálo v

jednom společném pouzdře a plnící určitou funkci elektronického

obvodu

výroba elektronických zařízení

MIKROPROCESOR integrovaný obvod, jehož logické operace lze naprogramovat k ovládání (řízení) elektronických obvodů