🧱 Polovodiče a přechod PN

Elektrony a díry

O čem to je

V mobilu, v řídicí jednotce robota i v nabíječce jsou miliardy součástek z křemíku. Křemík není ani dobrý vodič jako měď, ani izolant jako plast. Je polovodič – a jeho vodivost umíme řídit. Na tom stojí celá elektronika.

Nové pojmy

PolovodičLátka, která za nízké teploty skoro nevede, ale za pokojové teploty, při osvětlení nebo po přidání příměsí vede. Nejpoužívanější je křemík (Si), dříve germanium (Ge).Křemík se vyrábí z křemenného písku.

Valenční elektronyElektrony ve vnější vrstvě atomu. Tvoří vazby se sousedními atomy. Křemík jich má 4.V krystalu křemíku každý atom sdílí 4 elektrony se 4 sousedy.

Volný elektron a díraKdyž teplo vytrhne elektron z vazby, stane se volným elektronem (záporný nosič náboje). Na jeho místě zůstane prázdné místo – díra, která se chová jako kladný náboj. Do díry může přeskočit sousední elektron, takže díra „putuje“.Jako volné místo v plném kině: lidé si přesedají a volné místo se posouvá na opačnou stranu.

Příměsi: typ N a typ P

Čistý křemík vede málo. Proto se do něj přidává nepatrné množství jiných atomů – říká se tomu dotování (příměs).

Polovodič typu NKřemík s příměsí prvku s 5 valenčními elektrony (fosfor, arsen). Pátý elektron do vazby nepasuje a je volný. Převládají elektrony (Negativní).Křemík dotovaný fosforem.

Polovodič typu PKřemík s příměsí prvku se 3 valenčními elektrony (bor, galium). Jedna vazba zůstane neúplná – vznikne díra. Převládají díry (Pozitivní).Křemík dotovaný borem.

Roztřiď vlastnosti. Pomůcka: N jako negativní (elektrony), P jako pozitivní (díry).

Přechod PN

Přechod PNRozhraní, kde se v jednom krystalu stýká oblast P a oblast N. Elektrony a díry u rozhraní se vzájemně „vyruší“ a vznikne tenká vyprázdněná (hradlová) vrstva bez volných nosičů, která proud nepropouští.Základ každé diody a tranzistoru.

Když připojíš + na P a − na N (propustný směr), vrstva se zúží a od asi 0,6–0,7 V (u křemíku) teče proud. Když připojíš obráceně (závěrný směr), vrstva se rozšíří a proud prakticky neteče.

Na křemíkový přechod PN připojíš + na stranu N a − na stranu P, napětí 5 V. Poteče proud?

Ne (jen nepatrný závěrný proud). Je to závěrný směr: kladný pól přitahuje elektrony z N a záporný díry z P od rozhraní, vyprázdněná vrstva se rozšíří.

Na stejný přechod připojíš + na P a − na N, napětí 0,3 V. A pak 0,7 V. Kdy teče výrazný proud?

Při 0,3 V skoro neteče, protože ještě nebyla překonána hradlová vrstva. Při 0,7 V už je přechod otevřený a proud teče – pak ho musí omezit odpor v obvodu.

✗Díra je skutečná kladná částice, která se pohybuje krystalem.

✓Díra je jen chybějící elektron ve vazbě. Pohybuje se tak, že do ní postupně přeskakují sousední elektrony.

Navenek se chová jako kladný náboj, a proto se s ní tak počítá, ale není to samostatná částice jako proton.

Polovodič (Si) má volné elektrony a díry. Příměs s 5 elektrony dá typ N, se 3 elektrony typ P. Přechod PN vede v propustném směru (+ na P) od asi 0,6–0,7 V, v závěrném nevede.

Vlastnosti a přehled

O čem to je

Proč se křemíkový čip při přehřátí chová jinak? Proč dioda vede jen jedním směrem? Odpověď je v tom, jak se v polovodiči pohybují nosiče náboje. Tady máš vlastnosti polovodičů v přehledu a srovnání s kovem.

Nové pojmy

Nosič nábojeČástice, která se může pohybovat a nese náboj. V kovu jen volné elektrony. V polovodiči volné elektrony (−) a díry (+).Proud v polovodiči = pohyb elektronů jedním a děr opačným směrem.

Vlastní vodivostVodivost čistého polovodiče. Teplem vznikají páry elektron–díra. Je malá a silně roste s teplotou.Čistý křemík při 20 °C vede velmi špatně.

Nevlastní (příměsová) vodivostVodivost způsobená příměsí. Typ N má příměs 5mocného prvku (P, As), typ P 3mocného (B, Ga).Jeden atom příměsi na milion atomů křemíku zvýší vodivost mnohonásobně.

Majoritní a minoritní nosičeMajoritní jsou ty, kterých je v dané oblasti nejvíc (v N elektrony, v P díry). Minoritní jsou ty druhé, vznikají jen teplem.Minoritní nosiče tvoří malý závěrný proud diody.

Přechod PNRozhraní oblastí P a N v jednom krystalu. Vznikne na něm vyprázdněná vrstva a difuzní napětí (u Si asi 0,6–0,7 V), které je třeba překonat.Dioda = jeden přechod PN, bipolární tranzistor = dva.

Polovodič a kov

	kov (měď)	polovodič (křemík)
nosiče náboje	volné elektrony	elektrony a díry
s rostoucí teplotou odpor	roste	klesá
vliv příměsí	malý	obrovský
vliv světla	zanedbatelný	může vodivost zvýšit (fotodioda)

Přechod PN ve dvou směrech

Zapojení	Vyprázdněná vrstva	Proud
propustný: + na P, − na N	zužuje se	teče (od asi 0,6–0,7 V u Si)
závěrný: + na N, − na P	rozšiřuje se	jen nepatrný závěrný proud

Doplň věty. Když váháš, podívej se znovu do tabulek.

Proč se teplotní čidlo NTC termistor vyrábí z polovodiče, a ne z kovu?

Odpor polovodiče s teplotou výrazně klesá (víc tepla = víc párů elektron–díra = víc nosičů). Změna je mnohem větší než u kovu, takže čidlo je citlivější. NTC = záporný teplotní součinitel.

Proč závěrný proud diody s teplotou roste?

Závěrný proud tvoří minoritní nosiče. Ty vznikají teplem, takže čím teplejší přechod, tím jich je víc a závěrný proud roste. Proto se v elektronice hlídá teplota součástek.

✗Polovodič se chová jako kov: když se zahřeje, vede hůř.

✓Polovodič při zahřátí vede lépe, jeho odpor klesá.

U kovu teplo jen zvyšuje kmitání atomů, které brzdí elektrony. U polovodiče teplo navíc uvolňuje nové nosiče náboje a tento vliv převáží.

V polovodiči nesou náboj elektrony a díry. Příměsi tvoří typ N (elektrony) a P (díry). Odpor polovodiče s teplotou klesá. Přechod PN vede jen v propustném směru.

🚦Diody: usměrňovací, Zenerova a LED