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 f_m, při níž dochází k fotoemisi. Je-li f < f_m, 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 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