Elektronika - vodiče a polovodiče

Rozdelenie materiálov podľa vodivosti

1. Vodiče
2. Nevodiče
3. Polovodiče
4. Supravodiče
5. Magnetické materiály

Všeobecný pásmový model

Čím viac elektrónov je vo vodivostnom pásme, tým je materiál vodivejší.

Vodivé materiály

• Sú to materiály, ktoré majú prevažnú väčšinu elektrónov voľných.
• Nemajú zakázané pásmo.
• Vodivostné a valenčné pásmo sa navzájom prekrývajú.

Nevodivé materiály

• Sú to materiály, ktoré majú prevažnú väčšinu elektrónov viazaných.
• Zakázané pásmo je väčšie ako 1eV [elektrón volt]

Polovodičové materiály

• Sú to materiály, ktoré sa môžu správať ako vodiče aj nevodiče a to záleží od podmienok okolia
• Zakázané pásmo je menšie ako 1eV[elektrón volt]
• Správajú sa ako vodič keď: -je teplota okolia vyššia ako 0K [Kelvin], alebo dodávame materiálu akúkoľvek energiu(tepelnú, svetelnú)
• Správajú sa ako nevodič keď: -je teplota okolia rovná 0K (Kelvin) a nedodávame žiadnu energiu

Supravodiče

• Sú to materiály, ktoré pri určitej kritickej teplote T_k a kritickej magnetickej indukcií B_k strácajú elektrický odpor a ich vodivosť narastá do nekonečna

Magnetické materiály

• Sú to materiály, v ktorých sa magnetické momenty elektrónov (ktoré vznikajú pri obehu elektrónov okolo jadra v atóme) navzájom sčítavajú
• Sčítané magnetické momenty vytvárajú určité oblasti ktoré nazývame DOMÉNY

Magnetické materiály

Sčítavanie momentov

Polovodiče

Vodivosť typu:

1. Vlastná
   1. Typu P (dierová)
   2. Typu N (elektrónová)
2. Nevlastná
   1. Typu P (Dierová)
   2. Typu N (elektrónová)

• elektrón - reálna častica (záporný náboj)
• diera-fiktívna častica (kladný náboj)
• diera je prázdne miesto s kladným potenciálom, ktoré vznikne po tom čo elektrón opustí toto miesto, a další elektrón opustí svoje miesto aby túto dieru zavrel a tým vytvorí novú dieru na mieste kde bol a tak to ide dokola
• polovodičové súčiastky: diódy, tranzistory, tyristory využívajú pri svojej činnosti fyzikálne vlastnosti polovodičových materiálov
• polovodiče sú kryštalické látky, v ktorých atómy sa k sebe viažu kovalentnou väzbou Si/Ge/Se [kremík/germá­nium/selén]

Vlastná vodivosť Typu N

• je zabezpečená elektrónmi ktoré patria vlastnému materiálu
• materiál je celý zložený len z jedného prvku napríklad kremíku a tak niesu žiadne elektróny navyše ani žiadne nechýbajú
• funguje na princípe jedného elektrónu navyše

Vlastná vodivosť Typu P

• funguje na princípe jednej diery navyše ktorú sa elektróny pokúšajú uzavrieť a tým vytvárajú nové diery na svojom starom mieste
• vzhľadom nato že vlastná vodivosť polovodičov je malá v praxi sa nevyužíva, preto sa využíva nevlastná vodivosť polovodičov ktorá je zabezpečená prímesami

Nevlastná vodivosť Typu N

• je spôsobená prímesou ktorá má viac elektrónov ako základ materiálu
• napríklad ak máme materiál kremík 4-mocný a pridáme do neho ako prímes antimón 5-mocný tak toľko koľko atómov antimónu pridáme toľko voľných elektrónov získame a tie vytvoria novú energetickú hladinu (Donorovu hladinu)

Nevlastná vodivosť Typu P

• Vzniká vtedy ak do kremíku pridáme prímes, ktorá je menej ako 4-mocná (kremík je 4-mocný) napríklad indium 3-mocné a tak tam bude chýbať elektrón a vytvorí sa diera (akceptor)
• Koľko atómov india do kremíku primiešame toľko dier vytvoríme

Spojením polovodiča Typu P a Typu N získame PN priechod (polovodičovú diódu)

Polovodičová Dióda

• má špeciálne vlastnosti a vyznačuje sa tým, že jedným smerom prúd I prepúšťa a druhým smerom prúd I neprepúšťa (funguje ako ventil)

Záverný smer P-N

• Vplyvom elektrostatického poľa sa všetky diery premiestnia k mínus pólu a vplyvom elektrostatického poľa sa všetky elektróny premiestnia k plus pólu= vznikne potenciálová bariéra -prúd I netečie

Priepustný smer P-N

• vplyvom elektrostatického poľa budú kladné diery priťahované smerom vpravo ku katóde a vplyvom elektrostatického poľa budú záporné elektróny priťahované smerom vľavo ku anóde-priechodom tečie prúd I
• ak priložíme na diódu A+ a K- a napätie pomaly zvyšujeme, diódou netečie (tečie veľmi malý) prúd
• pri prahovom napätí (Up) nastáva prudký zlom a, dióda sa stáva vodivá-tečie ňou pracovný prúd
• ak priložíme na A- a K+ a napätie pomaly zvyšujeme diódou prúd netečie, pri napätí (Urm) dochádza k prudkému zlomu a dióda sa stáva vodivou (tečie ňou skratový prúd) prerazí sa

Značenie polovodičových diód

1. písmeno
   • G-germánium
   • K-kremík
2. písmeno
   • A-všeobecné použitie
   • B-varikap
   • E-tunelová dióda
   • P-foto dióda
   • Y-usmerňovacia dióda
   • Z-zenerova dióda

Parametre polovodičových diód (čo treba vedieť pri nákupe)
- If-veľkosť priepustného prúdu
- If(AV)-stredná hodnota priepustného prúdu
- Uf-priepustné napätie
- Urm-opakovateľné záverné napätie
- Ft-hraničná prenosová frekvencia
- a teplotu PN priechodu

Zenerova dióda

• Prevádzkuje sa v závernom smere: A-, K+ (anóda -, katóda +)
• Používa sa na stabilizáciu napätia (v elektronických obvodoch a na stabilizáciu napätie v sieťových zdrojoch)
• Ked napätie pomaly zvyšujeme prúd netečie, pri Uz napätí dochádza v PN priechode k tzv. nedeštruktívnemu prierazu a zenerovou diódou tečie pracovný prúd

dochádza k stabilizačnému javu- prúd aj napätie kolíše medzi určitými hodnotami

Bipolárne tranzistory -I

• Polovodičová súčiastka s dvoma PN priechodmi sa na tzv. tranzistorovom jave zúčastňujú dva druhy voľných nosičov náboja: -elektróny a diery

Tranzistory podľa usporiadanie delíme na PNp a NPN