Polovodiče - dioda, tyristor, tranzistor

Polovodiče

polovodič - jeden ze 3 zákl. typů materiálů z hlediska vodivosti (vodič - polovodič - izolant neboli dielektrikum)

pro vodiče platí: čím vyšší teplota, tím vyšší odpor (důvod: rezonance mřížky)

pro polovodiče naopak platí, že s rostoucí teplotou nebo při ozařování jejich odpor rychle klesá (důvod: sice vyšší rezonance mřížky, avšak mnohonásobně vyšší výskyt volných elektronů)

při podchlazení jsou polovodiče naopak izolanty

příklady polovodivých prvků: křemík, germanium, uhlík, selen, telur dále sloučeniny: sulfid olovnatý či některé organické látky - hemoglobin, chlorofil

Vedle vodičů a izolantů existuje skupina látek, které nazýváme polovodiče. Ty se při velmi nízkých teplotách chovají jako dokonalé izolanty, ale při vyšších teplotách se jejich vodivost zvětšuje. Další jejich důležitou vlastností je, že přidáme-li k prvku vlastního polovodiče vhodnou nečistotu, stává se vodivým. Přičemž nečistotou rozumíme prvek, který má ve své valenční sféře o jeden elektron více nebo méně než vlastní prvek. Jako základ tj. vlastní polovodič se nejvíce používá křemík nebo germanium se čtyřmi elektrony ve valenční sféře. Přidáme-li pak Arzén, který má pět elektronů, pak ve vazbě s vlastním polovodičem se projeví nadbytek elektronů, které způsobí vodivost typu N (negativní-elektronová). V případě, že nečistoty jsou atomy prvku se třemi valenčními elektrony(hliník, galium), pak ve vazbě s polovodičem elektrony chybějí, vznikají místo nich prázdné díry, kde chybí elektron a převládá tak kladný náboj. Vodivost typu P (pozitivní-děrová).

Polovodiče vlastní

- např. 4mocné germanium - při abs. nule dokonalá mřížka, žádné volné elektrony, tedy izolant

- při zahřátí či ozáření - energie vytrhne 1 elektron z valenční vrstvy - vzniká volný elektron (elektronová / negativní vodivost N) a volná díra (děrová / pozitivní vodivost P)

- po připojení na zdroj napětí dochází k pohybu elektronů a děr v opačných směrech

Polovodiče nevlastní

- umělé vyvolání P nebo N vodivosti

- do 4mocného Ge či Si se přidá 5mocný prvek (např. antimon) - volný elektron - elektr. vodivost N - DONOR

- do 4mocného Ge či Si se přidá 3mocný prvek (např. hliník) - kladná díra - děrová vodivost P - AKCEPTOR

- u nevlast. polovodičů zpravidla převažuje 1 typ vodivosti - P či N - vznikají tzv. majoritní a minoritní nosiče náb.

Dioda

Termíny: PN přechod, elektrická dvouvrstva, potenciálová bariéra, propustný / nepropustný směr

Polovodičová dioda

Základní polovodičovou součástkou je dioda. Jedná se o přechod PN či NP. V místě styku vzniká oblast tzv. prostorového náboje, kde nejsou žádné vodivé částice a odpovídá napětí asi 0,4V u germania a 0,8V u křemíku. Pokud připojíme diodu na napětí v propustném směru a překročí prahového náboje, je přechod zaplaven pohyblivými nosiči a dioda vede. Proud který skrz ni prochází, závisí na velikosti připojeného napětí a zvětšuje se zhruba exponenciálně. Omezujícím faktorem je konstrukce diody. V nepropustném směru dioda nevede. Teče skrz ní jen nepatrný proud, kterému říkáme závěrný. Omezující je i velikost napětí v propustném směru dochází k průrazu a zničení diody. Omezujícím faktorem je také maximální ztrátový výkon. Při průchodu proudu diodou vzniká díky jejímu vnitřnímu odporu úbytek napětí a dioda se ohřívá.

Typy diod

Hrotová - má velmi malou kapacitu přechodu, nepatrnou parazitní indukčnost a tím vysoký mezní kmitočet. Používá se jako usměrňovač vysokofrekvenčních proudů. Nevýhodou je malá mechanická odolnost.

Plošná - má velkou vlastní kapacitu přechodu. Maximální provozní kmitočet jsou jen desítky kHz. Propustný proud je až 1000A při poměrně velkém závěrném napětí a velké mechanické odolnosti. Používá se hlavně k usměrnění síťových napětí.

Zonerova - je bohatěji dotovaná nečistotami. Používá se v zapojení v nepropustném směru. Závěrný proud je malý, až při dosažení tzv. Zenerova napětí prudce vzrůstá proud, který musí být omezen sériovým rezistorem. V této oblasti je i při velkých změnách proudu napětí téměř konstantní. Používá se jako stabilizátor napětí. V propustném směru se chová jako normální dioda.

Kapacitní - potencionální val mezi P a N zde nahrazuje dielektrikum kondenzátoru. Velikost závěrného napětí můžeme tak měnit kapacitu diody.

Luminiscenční - LED (Light Emitting Diode) - zde se uvolněná energie přechodu mění na světlo.

Tyristor

4vrstvá polovodičová součástka

použití: řízený usměrňovač střídavých proudů nebo jako spínač ve stejnosměrných obvodech (vrtačka, trolejbus )

Elektrody označujeme A = anoda, K = katoda, G = řídící elektroda

spíná se krátkým impulsem (+) přivedeným na mřížku G - zůstává vodivý i po odpojení až do klesnutí napětí resp. přechodu do zápor. periody

Pokud bude mezi anodou a katodou tyristoru připojeno střídavé napětí a řídící elektroda zůstane odpojená tyristor nevede (je v blokovacím stavu) Přivedeme-li však na řídící elektrodu kdykoliv v čase T kladný elektrický impuls a anoda je kladná tyristor se otevře. Zůstane pak nadále otevřený bez ohledu jestli otevírací impuls trvá či ne a to až do okamžiku, kdy napětí mezi anodou a katodou klesne na nulu, nebo se obrátí jeho polarita. Důležité je, že uvedená regulace je téměř bezztrátová.

Tranzistor

A) Bipolární:

zapojení se společnou (uzemněnou) bází PNP

zapojení se společným (uzemněným) emitorem (nejčastější) NPN

zapojení se společným (uzemněným) kolektorem NPN

Bipolární tranzistor = takový tr., který využívá současně P i N vodivost

Parametr tranzistoru - proudový zesilovací činitel (poměr proudu v zesilovaném obvodu a v řídícím obvodu)

Tranzistor aktivní polovodičová součástka sloužící k zesílení proudu, napětí nebo výkonu. Na tomto tzv. tranzistorovém efektu se podílejí obě vodivosti (elektronová i děrová), proto název bipolární tranzistor. Každý tranzistor má tři základní vývody. U výkonových tranzistorů bývá zpravidla jeden z nich vyveden na pouzdro.Jednotlivé vývody, kterým říkáme elektrody označujeme B=báze, E=emitor, C=kolektor. Pokud má tranzistor čtyři vývody, značíme ten čtvrtý písmenem S a spojujeme jej zpravidla s kostrou jako stínění. V principu vzniká tranzistor spojením tří vodivostí seskupení PNP nebo NPN. Oba typy se liší jen obrácenou polaritou. Tranzistory NPN mají na kolektoru kladnou polaritu napájecího zdroje a na emitor je přivedena záporná polarita. U PNP je to obráceně. Při jakékoliv polaritě napětí mezi kolektorem a emitorem je vždy jedna z nich nevodivá. Přivedeme-li na však na bázi malé napětí příslušné polarity, pak malý vstupní proud otevírá přechod B/C a výstupní napětí (kolektor-emitor) protéká podstatně větší proud než je proud báze. Proudový zesilovací činitel tranzistoru udává, kolikrát se zvětší proud kolektoru při změně báze. Např. zvětší-li se proud báze o 0,4mA a vyvolá změnu proudu kolektoru o 20mA bude proudoví zesilovací činitel 20/0,4 = 50. Je-li bipolární tranzistor zapojen jako zesilovací prvek, je vždy jeden z jeho vývodů společný pro vstup a výstup. Podle toho rozeznáváme tři základní zapojení. Se společným emitorem, se společnou bází a se společným kolektorem. Nejpoužívanější je zapojení se společným emitorem.

B) Unipolární:

Zesilovací součástky využívající elektrostatické pole k řízen proudu procházejícího polovodičem. FET (Field-Efect Tranzistor). Vedení proudu se účastní nosiče jen jedné polarity. V tranzistoru dochází k řízení proudu kolektor-emitor pomocí napětí na řídící mřížce. Tranzistor má výrazně nižší výkonovou spotřebu pro svoji činnost. Výrazně vyšší vstupní odpor než u bipolárních tranzistorů.  10⁸-10¹² ohmů.