Elektrický proud v polovodičích a jeijich využití, kvantová teorie, fotoelektrický jev

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)

polovodic            polovodic

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

polovodic      polovodic

Polovodičové součástky

Termistor - se zvyšující teplotou se zmenšuje odpor - indikátor teploty (digitální teploměry)

termistor

Fotorezistor - se zvyšujícím záření se zmenšuje odpor - regulace osvětlení

fotorezistor

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)

dioda            gaetzovo zapojeni  + C

zapojeni diody

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

voltamperova charakteristika diody

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
tranzistortranzistor

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 kovůvnější fotoel. jev) a polovodičůvnitřní fotoel. jev). Fotoelektrický jev byl znám už dlouho, ale až v 20. století byl vysvětlen.

fotoelektricky jevvnější 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 jevumezni frekvence 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 frekvenci dopadajícího 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


 

  Aktivity (1)

Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Autor pracuje jako softwarový architekt a pedagog na projektu ITnetwork.cz (a jeho zahraničních verzích). Velmi si váží svobody podnikání v naší zemi a věří, že když se člověk neštítí práce, tak dokáže úplně cokoli.
Unicorn College Autor se informační technologie naučil na Unicorn College - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.

Jak se ti líbí článek?
Ještě nikdo nehodnotil, buď první!


 



 

 

Komentáře

Avatar
mkub
Redaktor
Avatar
mkub:

diera nema zaporny naboj, ale kladny,lebo diera vznikne po tom, co sa elektron odpoji od atomu

dalsia chybka je v tranzistore... emitorom sa neriadi prud,ale bazou... pri malej zmene prudu baza-emitor, dostaneme niekolkonasobnu zmenu prudu kolektor-emitor

 
Odpovědět  +2 4.12.2013 17:36
Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlas. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.

Zobrazeno 1 zpráv z 1.