DIODOVÝ JEV

Tento pokus spadá do učiva vedení proudu v polovodičích.

Při vysvětlování se předpokládá, že studenti byli seznámeni s příměsovou vodivostí v polovodičích.

Pokus lze předvést a na základě něj formulovat „diodový jev“. Až poté jev vysvětlit.

POKUS

Pomůcky: dioda (polovodičová součástka), žárovka, ampérmetr, spínač, zdroj stejnosměrného

napětí, spojovací vodiče

Ke zdroji je připojena žárovka, ampérmetr a spínač (1. .

Když demonstrátor sepne spínač, obvodem začne protékat proud, což pozorujeme na ampérmetru (přibližně 45 mA). Žárovka se rozsvítí. Po vypnutí spínače proud obvodem neprotéká.

Demonstrátor postupně mění zapojení obvodu – přidává diodu, zaměňuje polohu diody a polaritu zdroje. Zkoumáme, jak se dioda chová v obvodu stejnosměrného proudu.

Jednotlivá zapojení:

Po sepnutí spínače žárovka svítí, proud obvodem protéká.

Po sepnutí spínače žárovka nesvítí, obvodem neprotéká (měřitelný) proud.

Po sepnutí spínače žárovka svítí, proud obvodem protéká.

(Demonstrátor změnil polaritu zdroje a prohodil vodiče vedoucí k ampérmetru tak, aby proud vstupoval

do kladné zdířky zdroje, která je uprostřed.)

Po sepnutí spínače žárovka nesvítí, obvodem neprotéká (měřitelný) proud.

DIODOVÝ JEV:

Dioda se chová nesymetricky vzhledem k polaritě připojeného zdroje. Prochází jí proud pouze v jednom směru –tzv. propustný směr.

 

VYSVĚTLENÍ

Diodový jev je jev probíhající na rozhraní dvou polovodičů s různým typem vodivosti.

V místě rozhraní, kde se mění vodivost typu P ve vodivost typu N, vzniká přechod PN.

Co je to polovodič typu P?

Odpověď:

Polovodič typu P je polovodič s děrovou vodivostí. Polovodič obsahuje atomy příměsi s menší mocností než jsou atomy čistého polovodiče. Na plné obsazení vazeb příměsi se sousedními atomy chybí valenční elektron a v tom místě vznikne díra. Díry jsou většinovými nosiči náboje a příměsi s valenčními elektrony tvoří nepohyblivé záporné ionty (akceptory).

Bor se třemi valenčními elektrony ve čtyřmocném křemíku

Co je to polovodič typu N?

Odpověď:

Polovodič typu N je polovodič s elektronovou vodivostí. Polovodič obsahuje atomy příměsi s větší mocností než jsou atomy čistého polovodiče. Všechny valenční elektrony se neuplatní ve vazbě se sousedními atomy a zůstane elektron (elektrony) slabě vázaný, který se při běžných teplotách stává volným. Elektrony jsou většinovými nosiči náboje a příměsi se stávají kladnými nepohyblivými ionty (tzv. donory).

Pětimocný fosfor ve čtyřmocném křemíku

Při spojení polovodičů typu P a typu N dochází k difúzi volných elektronů z části N do části P a k difúzi děr z části P do části N (respektive k difúzi elektronů z N do P). Když volný elektron narazí na díru, spojí se (tzv. rekombinace). Tím zanikají elektron a díra jakožto volné částice s nábojem.

Polovodiče se v blízkosti přechodu nabíjejí vlivem nepohyblivých iontů.

Jak se nabije polovodič typu P a jak se nabije polovodič typu N?

Odpověď:

Polovodič typu N se nabije kladně (elektrony přešly do polovodiče typu N a zbyly tu kladné nepohyblivé ionty) a polovodič typu P se nabije záporně.

Opačně nabité strany jsou příčinou vytvoření tzv. hradlové vrstvy s elektrickým polem.

Jaký směr má intenzita tohoto pole?

Odpověď:

Intenzita elektrického pole směřuje z oblasti s kladným nábojem (N) do oblasti se záporným nábojem (P).

Toto elektrické pole zabraňuje další difúzi elektronů a děr.

V blízkosti přechodu vzniká oblast, v níž je následkem rekombinace párů elektron – díra nedostatek volných částic s nábojem. Proto má přechod PN velký odpor.

Jak se bude chovat dioda po připojení k napětí?

Jak je orientováno elektrické pole vytvořené v polovodiči působením zdroje, když

připojíme kladný pól zdroje napětí k části P? Shodně s polem hradlové vrstvy nebo

opačně, než pole hradlové vrstvy?

Odpověď:

Když připojíme kladný pól zdroje napětí k části P, je elektrické pole vytvořené v polovodiči působením zdroje orientováno opačně než pole hradlové vrstvy a potlačí ji.

Většinové nosiče náboje tak mohou znovu pronikat do oblasti přechodu PN a obvodem prochází elektrický proud. Dioda je zapojena v propustném směru.

Co se stane, když připojíme kladný pól zdroje napětí k části N (zapojení v závěrném

směru)?

Odpověď:

Když připojíme kladný pól zdroje napětí k části N (zapojení v závěrném směru), intenzita elektrického pole na přechodu se zvýší. Volné elektrony a díry jsou od přechodu PN odpuzovány ještě více, než před připojením napětí (přechodová vrstva se rozšíří), tj. odpor přechodu se ještě zvýší. Přechodem prochází jen nepatrný proud menšinových nosičů náboje.

Závislost elektrického odporu polovodiče s přechodem PN na polaritě vnějšího zdroje napětí se nazývá diodový jev.

Poznámka1:

Napětí připojené k přechodu PN v propustném směru musí dosahovat určité minimální hodnoty, aby došlo k potlačení hradlové vrstvy (intenzita vnějšího pole je větší nebo rovna intenzitě pole hradlové vrstvy).

Poznámka 2:

Při překročení určité hodnoty napětí v závěrném směru dochází k lavinovitému tvoření volných částic s nábojem, přechodem začne protékat větší proud a dioda se může poškodit.

Poznámka 3:

Dioda, kterou jsme použili v pokusu,je polovodičová součástka s jedním přechodem PN. Diodou prochází proud pouze od anody (vývod spojený s oblastí P) ke katodě (vývod spojený s oblastí N).

Dioda (přechod PN) se využívá např. k usměrnění střídavého proudu.

Množství spotřebičů a spotřební elektroniky (CD a DVD přehrávač, nabíječka na mobilní telefon, rádio, …) funguje na stejnosměrný proud, přesto je napájíme z elektrické zásuvky, kde je střídavé napětí. Proto musí obsahovat usměrňovač – diodu nebo častěji několik diod spolu s dalšími součástkami. Také tramvaj a metro fungují na stejnosměrný proud.