ELEKTRONIKA Vodivost polovodie Vukov materil slo projektu CZ

ELEKTRONIKA Vodivost polovodiče

Výukový materiál Číslo projektu: CZ. 1. 07/1. 5. 00/34. 0608 Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Číslo materiálu: 01_02_32_INOVACE_10

VODIVOST POLOVODIČE Předmět: ELEKTRONIKA Ročník: ME 2 Jméno autora: Ing. Miroslav Sámel Škola: SPŠ Hranice Anotace : Materiál objasňuje podstatu vodivosti polovodiče. Popisuje vznik vlastní vodivosti, vodivosti typu N a vodivosti typu P. Klíčová slova: Křemík, germanium, polovodič, vodivost, vlastní, nevlastní typu N, typu P. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miroslav Sámel Financováno z ESF a státního rozpočtu ČR.

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Základní rozdělení látek Atom: VODIČE q Jádro Vnější elektronová slupka obsahuje pouze malý počet elektronů a tyto jsou velmi slabě vázány ve struktuře atomu. Kovy: Zlato, stříbro, měď, hliník, … q Elektronový obal Jádro: q Protony q Neutrony Elektronový obal: IZOLANTY Vnější elektronová slupka je plně obsazena. Elektrony jsou velmi pevně vázány ve struktuře atomu. Materiály: Sklo, guma, plasty, keramika, plyny, … q Elektrony Elementární náboj: 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče POLOVODIČE Chemicky čisté polovodiče mají při nízké teplotě (ϑ = 0 K) velmi malý počet volných elektronů. Přidáním příměsí a zvýšením teploty se mohou stát vodivými. Materiály: Křemík, germanium, slitiny a sloučeniny, … Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Rozdělení látek podle elektrické vodivosti: Rozdělení pevných látek: vodiče, polovodiče, izolanty. q vodiče q izolanty q polovodiče Elektrická vodivost látek závisí na vnitřní stavbě atomu a fyzikálních podmínkách prostředí. q Ve vodiči se všechny valenční elektrony atomů vždy a za všech podmínek účastní vedení elektrického proudu. Vnějšími podmínkami je ovlivňována pouze pohyblivost – a tím i vodivost – počet volných elektronů zůstává vždy stejný. q V izolantech a krystalech polovodičů nejsou volné – valenční – elektrony. Tyto látky za ideálních podmínek (ideální krystalická mřížka, dokonalá čistota a teplota 0° K) nevedou elektrický proud. Rozdíl ve vodivosti vodičů a izolantů je v tom, že u vodičů se zvyšující se teplotou elektrická vodivost klesá, u izolantů stoupá. Izolanty jsou za pokojové teploty nevodivé (počet volných elektronů je nulový), polovodiče jsou však již částečně vodivé. Rozdělení látek na polovodiče a izolanty je pouze kvantitativní. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Rozdělení látek podle elektrické vodivosti: V krystalické mřížce čtyřmocného křemíku jsou všechny valenční elektrony vázány elektronovými dvojicemi. V mřížce nejsou volné elektrony ani jiné nosiče elektrického náboje – krystal křemíku je elektricky nevodivý. q vodiče q izolanty q polovodiče Elektrická vodivost látek závisí na vnitřní stavbě atomu a fyzikálních podmínkách prostředí. To však platí pouze za ideálních podmínek. Zásahem vnějších vlivů (teplem, zářením) k porušení elektronové vazby, vznikne dvojice nosičů náboje – elektron a díra. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Dvojice nosičů elektrického náboje: q elektron q díra Vlastní vodivost polovodiče Elektron se ihned začne pohybovat v krystalové mřížce a po přiložení elektrického pole se účastní vedení elektrického proudu. Na místě uvolněného elektronu vznikne v mřížkové vazbě díra. Podobně jako se v krystalové mřížce pohybuje elektron, může se pohybovat také díra – elektron poměrně snadno přejde do sousedního atomu a na jeho místě vznikne díra, do které přeskočí další elektron atd. , a tak se vlastně pohybuje v mřížce jak elektron tak díra. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Vlastní vodivost polovodiče Dvojice nosičů elektrického náboje: Díry se vlivem elektrického pole účastní vedení elektrického proudu, ovšem vzhledem ke kladnému náboji má jejich pohyb opačný směr než pohyb elektronů. q elektron q díra Uvolněný elektron se po určitou dobu, tzv. dobu života, pohybuje volně v krystalové mřížce a potom přeskočí do některé díry, tj. rekombinuje. Polovodič těchto vlastností nazýváme vlastní polovodič a jeho vodivost nazýváme vlastní vodivost. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Nevlastní vodivost polovodiče Podstata nevlastní vodivosti spočívá v přidání příměsí k čistému polovodiči. Vhodnou volbou příměsi lze připravit polovodič s vodivostí převážně elektronovou Vodivost polovodiče: nebo polovodič s vodivostí převážně děrovou. q vlastní Do krystalické mřížky čtyřmocného křemíku q nevlastní přidáme atom pětimocného antimonu. Čtyři valenční elektrony antimonu jsou vázány Nevlastní vodivost N: elektronovými dvojicemi, pátý elektron je k atomovému jádru vázán slabě a může být donor – příměs pětimocného prvku uvolněn poměrně malou energií. Polovodič s elektronovou vodivostí nazýváme do čtyřmocné struktury polovodič typu N. Příměs z V. skupiny křemíku Mendělejevovy tabulky prvků se nazývá donor. Krystal křemíku s příměsí je navenek neutrální, zvětšila se jeho elektrická vodivost. Další donory – fosfor, arzén, bizmut. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Si Si Si Sb Vodivost typu N Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Nevlastní vodivost polovodiče Příměs atomu trojmocného prvku do mřížkové struktury křemíku (například india), způsobuje vznik kladného nosiče náboje. Tři valenční elektrony india tvoří elektronové dvojice se třemi Vodivost polovodiče: sousedními atomy křemíku. Protože atom příměsi zaujímá v mřížce polohu čtyřmocného q vlastní prvku, „vypůjčuje“ si ke své čtvrté elektronové q nevlastní vazbě elektron z jiného atomu. Tím vzniká díra, která se může volně pohybovat. Navenek je Nevlastní vodivost P: krystal opět neutrální, obsahuje však kladné nosiče náboje. Polovodič s děrovou vodivostí akceptor – příměs třímocného prvku nazýváme polovodič typu P a příměs nazýváme akceptor. Další donory – bór, do čtyřmocné struktury galium, hliník. křemíku Volným elektronům v polovodiči typu N a děrám v polovodiči typu P říkáme majoritní nosiče, děrám ve vrstvě N a elektronům ve vrstvě P říkáme minoritní nosiče. 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Si Si Si In Vodivost typu P Ing. Miroslav Sámel

VODIVOST POLOVODIČE Pamatujte si: Zdroje a literatura q Vlastní vodivost vzniká náhodně pro praxi nemá význam [1] VOŽENÍLEK, L. ; ŘEŠÁTKO, M. . Základy elektrotechniky II. pro 2. ročník SOU elektrotechnických. Praha: SNTL, 1984, ISBN BEZ. q Nevlastní vodivost N vzniká přidáním donoru do struktury křemíku q Nevlastní vodivost P vzniká přidáním akceptoru do struktury křemíku [2] BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika I. Praha: INFORMATORIUM, 2002, ISBN 80 -86073 -90 -4. Ilustrace: www. office. microsoft. com 01_02_32_INOVACE_10, Elektronika, Vodivost polovodiče Ing. Miroslav Sámel