POLOVODIČE - Vlastnosti polovodičů

Polovodiče

Vlastnosti polovodičů

Polovodiče jsou materiály ze 4. skupiny Mendělejevovy tabulky. Nejznámější jsou germanium (Ge) a křemík (Si). Každý atom má 4 vazby, pomocí kterých se váže na sousední atomy. V čistém polovodiči nejsou volné elektrony, proto vodí špatně elektrický proud.

Polovodič N

Přidáme-li k prvku 4. skupiny příměs prvku 5. skupiny (např. arsén – As), bude při vzájemných vazbách mezi atomy mít atom příměsi jednu vazbu navíc - volný elektron. Atom proto nazýváme donorem. Volný elektron je nositelem elektronové vodivosti.

Polovodič P

Přidáme-li k prvku 4. skupiny prvek 3. skupiny zvaný akceptor (např. Indium – In), bude jeden elektron chybět.

Vznikne kladný náboj - díra, polovodič má děrovou vodivost.

Vodivost polovodičů vzrůstá přidáním příměsí.

Obrázek a/Struktura atomů čistého polovodiče b/polovodič typu N c/ polovodič typu P

Dioda

je polovodičová součástka. Její základní vlastností je, že vede proud pouze v jednom směru. Je tvořena přechodem P - N. Má 2 vývody anodu (A) a katodu (K). Je-li tento přechod bez vnějšího napětí, dochází na rozhraní oblasti P a N ke spojování - rekombinaci volných elektronů a děr. Náboje opačné polarity se přitahují a tak vzniká potenciálový val, který brání průchodu proudu (obr.a).

Obrázek a/Schematická značka diody, její vnitřní struktura, P -N přechod bez vnějšího napětí

b/ Dioda v propustném směru c/ dioda v závěrném směru

Připojíme-li na diodu napětí v propustném směru (na anodu kladné, na katodu záporné), zruší se potenciálový val, proud začne procházet, kladné nosiče náboje jsou přitahovány záporným napětím, volné elektrony kladným napětím (obr.b).

Obrátíme-li polaritu napětí, vytvoří se v diodě vyprázdněná bez volných elektrických nábojů, proud nemůže procházet, dioda je v závěrném směru.

Protože polovodičový materiál nelze vyrobit úplně čistý, prochází diodou, která je zapojena v závěrném směru určitý zbytkový proud. Ten je ale u moderních součástek většinou zanedbatelný, u křemíkových diod je řádu nA.

Vlastnosti a VA charakteristika diody

Z VA charakteristiky vidíme, že se jedná o součástku, která se chová odlišně při měnící se polaritě napájejícího napětí (při jejím zapojení nesmíme zaměnit anodu a katodu). Je-li napětí v propustném směru menší než napětí prahové U_P, potenciálový val brání průchodu proudu, který je potom velmi malý (mikroampéry). Vzniká tak charakteristické zakřivení VA charakteristiky.

Překročíme-li prahové napětí, roste proud velmi rychle. Nesmíme však překročit mezní proud v propustném směru I_F, aby nedošlo ke zničení diody. Při větších proudech (stovky mA, jednotky A) vzniká na diodě nezanedbatelný ztrátový výkon P U I, dioda se zahřívá. Proud v závěrném směru je zpravidla zanedbatelný (mikroampéry). Nesmíme však překročit mezní závěrné napětí U_R, aby nedošlo k průrazu, kterým by se dioda zničila. Hlavně podle těchto parametrů si vybíráme typ diody pro konkrétní aplikaci.

Rozdělení diod podle materiálu

1) germaniové – U_P = 0,22 V, závislost jejich vlastností na teplotě je velmi vysoká, mají velký zbytkový proud v závěrném směru (mikroampéry), nyní se již téměř nepoužívají.

2) křemíkové - U_p 0,56 V, napětí v propustném směru typicky 0,6 - 0,7 V - (velmi důležité hodnoty), při velkých proudech maximálně 1,1 V. Závěrný proud je zanedbatelný - desítky nanoampér. Jedná se o nejvíce používaný typ diody.

3) Schottkyho diody - (využívá se rozhraní kov - polovodič N) - U_p = 0,2 V, používá se tam, kde je zapotřebí velká rychlost a velmi krátká zotavovací doba. Nízké prahové napětí snižuje ztráty energie při jejím použití, což může být výhodné i v usměrňovačích. Nevýhodou je vyšší cena.

LED - elektroluminiscenční diody, materiál GaAs (galium arsenid), napětí v propustném směru 1,5 – 2 V (dle barvy)

Rozdělení diod podle užití

1) usměrňovací diody - slouží k usměrnění velkých proudů

I_F jednotky až desítky ampér, U_R stovky voltů.

Tyto diody musí dobře odvádět teplo, proto mají silné vývody, někdy se montují na chladič. P-N přechod má velkou plochu, proto mají většinou dlouhou zotavovací dobu a můžeme je používat pouze pro zpracování nízkých frekvencí (nejčastěji 50 Hz).

2) diody detekční a spínací mají krátkou zotavovací dobu, malou plochu P-N přechodu -

I_F desítky miliampér, U_R desítky voltů

Slouží k zpracování signálů o vysokém kmitočtu (rozhlasový přijímač) nebo jako spínací součástka v logických obvodech.

Obrázek: a/ VA charakteristika diody (ve skutečnosti je zaoblená),

b/ Schematická značka NPN (šipka ven) a PNP tranzistoru

c/ Zapojení a princip činnosti tranzistoru

Tranzistor

Tranzistor je základním stavebním prvkem v elektronice. Má schopnost zesilovat napětí a proud, což je vlastnost velmi důležitá. Používá se nejen jako diskrétní součástka (každý tranzistor v samostatném pouzdře), ale také v integrovaných obvodech.

Princip činnosti

Tranzistor je třívrstvá polovodičová součástka, obsahuje dva PN přechody, jeho vývody se nazývají báze (B), kolektor (C) a emitor (E).

Podle vnitřní struktury dělíme tranzistory na NPN a PNP. Oba typy pracují na stejném principu činnosti, ale s opačnou polaritou napájecího napětí.

U typu NPN jsou nosiči proudu volné elektrony, u typu PNP díry, které se pohybují pomaleji. Proto má NPN tranzistor lepší vlastnosti při zpracování signálů s vyšší frekvencí a používá se častěji. Tranzistorový jev proto budeme vysvětlovat na NPN tranzistoru.

Na emitor je přivedeno záporné napětí, na kolektor kladné. U_BE je zpravidla menší než U_CE.

Přechod báze-emitor je v podstatě dioda zapojená v propustném směru, přechod kolektor-báze je zapojen v závěrném směru.

Teče-li proud obvodem báze-emitor, dostávají se elektrony z oblasti emitoru (polovodič N) do oblasti báze. Protože na kolektoru je větší napětí než na bázi a oblast báze (polovodič P) je velmi tenká, většina elektronů je stržena do oblasti kolektoru.

Z toho vyplývá, že protéká-li proud obvodem báze-emitor (I_B), začne protékat proud i mezi kolektorem a emitorem (I_C) přes přechod kolektor - báze, který je v závěrném směru. Proud kolektoru je závislý na proudu báze. U moderních tranzistorů, které mají velmi tenkou oblast báze, platí, že I_C je mnohem větší než I_B, protože většina elektronů se z emitoru nedostane do báze, ale do kolektoru.

Tranzistor působí jako zesilovač proudu. Malému řídícímu proudu (I_B) odpovídá velký proud řízený (I_C). Poměr I_C / I_B se nazývá proudový zesilovací činitel tranzistoru. Bývá v rozsahu 10 - 1000, nejčastěji 100 - 300. Označuje se b nebo h _21E. U výkonových tranzistorů bývá zesílení menší (10 - 100).

V každém tranzistoru musí platit 1. Kirhoffův zákon:

I_E = I_C + I_B Při dostatečně velkém zesílení přibližně platí I_E = I_C

Obrázek a/ VA charakteristika tranzistoru (ve skutečnosti je zaoblená)

b/Tranzistor jako spínač

c/ Princip tranzistoru MOS

Vlastnosti tranzistoru můžeme znázornit graficky v jednom obrázku.V prvním kvadrantu je výstupní charakteristika I_C = f (U_CE), ve třetím kvadrantu vstupní charakteristika - závislost I_B a U_BE.

Vstupní charakteristika tranzistoru je podobná VA charakteristice diody. U křemíkového tranzistoru je typická hodnota napětí U_BE = 0,6 V, při saturaci max. 0,7 V. Je-li tranzistor otevřen, musíme na něm vždy tuto hodnotu naměřit. Při nižších hodnotách U_BE musí být uzavřen (obvodem kolektor - emitor neprotéká proud).

Výstupní charakteristika je popsána soustavou křivek, kde parametrem je proud báze (parametrická charakteristika). Je z ní vidět, že proud kolektoru je převážně závislý na proudu báze.

Všechny křivky se sbíhají na tzv. mezní přímce. Při úplném otevření tranzistoru (U_CE se blíží nule) tranzistor již nemůže zesilovat proud, chová se jako kdyby mezi kolektorem a emitorem byl velmi malý odpor. Říkáme, že tranzistor je ve stavu saturace - nasycení. Typická hodnota saturačního napětí je u moderních tranzistorů malého výkonu (do 1 W) asi 0,2 V. U výkonových tranzistorů bývá 1 až 2 V.

Při saturaci se tranzistor chová jako sepnutý spínač, na kterém je malý úbytek napětí. Dochází k ní při dostatečně velkém proudu báze, kdy již není možné aby platilo:

I_C = b . I_B

Proud kolektoru je totiž omezen hodnotami dalších součástek (kolektorový odpor Rz).

Pokud je na bázi tranzistoru napětí menší než 0,6V, potom I_B = 0. Obvodem kolektor-emitor teče pouze zbytkový proud (řádově 1 mA), tranzistor se chová jako rozepnutý spínač.

Tento spínač řídíme proudem do báze tranzistoru. Řídíci napětí U_říď přivádíme na bázi tranzistoru přes ochranný odpor R_B. Jinak by byl proud báze příliš velký a tranzistor by se zničil.

Odpor R_Z (zátěž) v kolektoru tranzistoru omezuje jeho kolektorový proud.

Tranzistor umožňuje bezkontaktní spínání zátěže v kolektorovém obvodu proudem přivedeným do báze. Že bezkontaktní spínání je oproti relé rychlejší, spolehlivější a výhodnější z hlediska rozměrů i životnosti spínače pochopí jistě každý. Při sepnutí se tranzistor zpravidla dostane do saturace. Aby tomu tak skutečně bylo, musí platit, že I_B.h_21e > I_C

Příklad: Zátěž (např. motorek, žárovka nebo relé) odebírá proud 50 mA. U použitého tranzistoru je proudový zesilovací činitel h_21e = 100. Navrhněte spínací obvod, máme-li k dispozici řídící napětí napětí 5V.

Potřebný proud báze I_B bude I_B = I_C / h _21e = 50/100 = 0,5 mA

Rezistor R_B = U_ř -U_BE / I_B = (5 - 0,6)/0,5 = 8,8 kW , vypočtenou hodnotu zaokrouhlíme dolů

Mezní parametry tranzistoru

U tranzistoru potřebujeme znát maximální napětí kolektor-emitor U_{CE max ,} maximální kolektorový proud I_{C max,} maximální kolektorový ztrátový výkon P_{C tot} . Tyto parametry nesmíme překročit, abychom tranzistor nezničili.

Platí, že P_C = I_C U_CE

U většiny „malých“ tranzistorů bývá U_CE max 30 – 150 V, I_{C max} 0,1 – 1 A, P_{C tot} 0,5 – 1 W.

Existují ale i vysokonapěťové (U_{CE max} až 1000 V) a výkonové (P_{C tot} až 150 W, I _{C max} až 10 A) tranzistory.

Digitální učebnice

Vážení studenti, dal jsem Vám zadarmo k dispozici tuto digitální učebnici. Jestli budete mít další podobné, záleží hlavně na Vás. Pokud se Vám tato publikace líbí, požádejte své vyučující, aby u mě objednali další publikace. Budu je dodávat pouze školám, které zajistí vybrání autorského honoráře (5 – 10 Kč). Ten bude nutné zaplatit za všechny studenty školy nebo daného oboru v průběhu 4 let. Bližší informace viz fyzika smlouva na mé internetové stránce www.vlcek.aktualne.cz, kde také najdete Demo soubor fyzika, aktuální informace o všech publikacích, které připravuji (termín dokončení, počet stran, demo soubory, smlouvy). Zatím je hotová Středoškolská fyzika (80 stran A4, 10 Kč). Bude-li ze strany škol zájem, zpracuji Elektrotechnologii (40 až 50 stran, 5 Kč), Silnoproud (40 – 60 stran , asi 5 Kč), případně další publikace z oboru elektro nebo i z jiných oborů. Podmínkou ale je dostatečný počet předběžných objednávek s uvedením přibližného počtu uživatelů.Výhodou těchto publikací je možnost jejich úpravy dle konkrétních potřeb školy a nízká cena, nevýhodou menší množství a nižší kvalita obrázků (obrázky zabírají hodně paměti).

Unipolární tranzistory

Jedná se o tranzistory řízené elektrickým polem (FET), tedy vstupním napětím. K jejich sepnutí nepotřebujeme téměř žádný budící výkon. Jejich charakteristickou vlastností je nekonečný vstupní odpor a tedy nulový budící proud. Jejich elektrody často označujeme G (gate) - báze, S (slave) - kolektor, D (driver) - emitor.

Podle jejich vnitřní struktury je nazýváme zkratkou MIS - metal - isolator -semiconductor ( kov-izolant.-polovodič) nebo MOS (metal- oxide- seminductor)

Řídící elektroda (G) je kovová a je izolována tenkou vrstvou kysličníku křemičitého. Připojíme-li na tuto vrstvu záporné napětí, elektrony jsou jím vypuzeny z oblasti mezi kolektorem a emitorem, tranzistor se uzavře. Kladné napětí naopak přitáhne mezi emitor a kolektor volné elektrony, tranzistor se otevře a začne jím protékat proud.

Existuje více typů polem řízených tranzistorů, které se liší vnitřním uspořádáním a obvodovými vlastnostmi. Jejich popis by přesáhl rámec této publikace.

U tranzistorů FET jsou nositeli proudu náboje jedné polarity (unipolární tranzistor). Tyto tranzistory často používáme jako obousměrné spínače, které na rozdíl od bipolárního tranzistoru spínají signály obou polarit. Často je používáme pro spínání velkých výkonů, protože nepotřebujeme velký budicí výkon. Výhodou je i velmi malý odpor v sepnutém stavu (desetiny ohmu).

Integrované obvody

Zapojení, která se často opakují je výhodné realizovat na křemíkové destičce (tranzistory, diody, rezistory, velmi malé kondenzátory) v jednom společně zapouzdřeném funkčním bloku – integrovaném obvodu.

Ty se vyrábějí ve velkých sériích. Uživatelé z nich sestavují zapojení a doplňují je dalšími součástkami. Příkladem jsou operační zesilovače, monolitické stabilizátory napětí, logické obvody a mikroprocesory. Prudký rozvoj elektroniky umožnila výroba integrovaných obvodů se stále větší hustotou integrace (tisíce tranzistorů na jedné destičce –čipu, rozměry jednotlivých prvků v jednotkách mikrometrů) a se stále klesající výrobní cenou. Zjednodušilo se obvodové řešení elektronických zařízení, zmenšily se jejich rozměry, klesla spotřeba energie. Výroba těchto obvodů je ve většině případů plně automatizována. Tím vzrostla i spolehlivost elektronických zařízení.

Literatura: 1 / Elektrotechnika I, A. Blahovec, Informatorium

2 / Elektrotechnika II, A. Blahovec, Informatorium

3 / Kurz základů elektroniky, J. Vlček, BEN