💡 Polovodiče

Mezi kovem a izolantem

O čem to je

V mobilu, počítači, LED žárovce i v solárním panelu jsou součástky z polovodičů. Bez nich by nebyla žádná moderní elektronika.

Polovodiče jsou zvláštní: vedou proud jen trochu, ale jejich vodivost jde snadno měnit – teplem, světlem nebo příměsí jiné látky.

Nové pojmy

Vodič a izolantVodič vede proud dobře (kovy). Izolant téměř vůbec (plast, sklo).Měděný drát v plastovém obalu.
PolovodičLátka, která vede proud jen trochu – je někde mezi vodičem a izolantem. Nejpoužívanější je křemík.Křemík se vyrábí z křemenného písku.
VodivostJak dobře látka vede proud. Opak odporu: velká vodivost = malý odpor.

Teplo dělá rozdíl

LátkaVodivostKdyž se zahřeje
kovdobrávede hůř (odpor roste)
polovodičmalávede lépe (odpor klesá)
izolanttéměř žádnápořád téměř nevede

V kovu je volných elektronů pořád dost a teplem jen víc kmitají atomy, které jim překážejí. V polovodiči teplo (nebo světlo) uvolní další elektrony, takže vede lépe.

Součástky

Otoč karty a ke každé součástce si zkus vymyslet, kde by se hodila.

  • dioda – propouští proud jen jedním směrem
  • LED – dioda, která svítí
  • termistor – odpor klesá s teplotou
  • fotorezistor – odpor klesá s osvětlením
  • fotovoltaický článek – mění světlo na elektřinu
Pouliční lampa se večer sama rozsvítí. Která součástka to pozná?
Fotorezistor. Ve tmě má velký odpor, na světle malý. Podle toho obvod pozná, jestli je tma.
Která součástka je v elektronickém teploměru?
Termistor – jeho odpor se mění s teplotou. Přístroj změří odpor a převede ho na stupně.
✗Odpor kovu s rostoucí teplotou klesá.
✓Odpor kovu s teplotou roste, odpor polovodiče klesá.

U kovu teplo jen zvětší kmitání atomů, které elektronům překážejí. U polovodiče teplo uvolní nové volné elektrony.

Polovodič (hlavně křemík) vede málo, ale s teplotou a světlem lépe. Z polovodičů jsou diody, LED, termistory, fotorezistory a solární články.

Přechod PN

O čem to je

Jak může součástka pustit proud jen jedním směrem, jako jednosměrná ulice? A jak vznikne světlo v LED? Odpověď je v tom, že se k sobě přiloží dva různé druhy polovodiče.

Nové pojmy

PolovodičLátka, která vede proud méně než kov a více než izolant (např. křemík).Čipy v počítači jsou z křemíku.
PříměsNepatrné množství jiného prvku přidané do čistého polovodiče. Změní, jak polovodič vede.Na milion atomů křemíku stačí pár atomů příměsi.
Typ N a typ PPolovodič typu N má díky příměsi přebytek volných elektronů (N = negativní, záporné). Typ P má nedostatek elektronů – prázdná místa zvaná díry, která se chovají jako kladný náboj (P = pozitivní).N: elektrony navíc. P: díry.
Přechod PN a diodaMísto, kde se stýká typ P s typem N. Součástka s jedním přechodem PN je dioda – propouští proud jen jedním směrem.Dioda v nabíječce.

Dva směry zapojení

Propustný směr: P na + pól zdroje, N na −. Elektrony a díry jsou tlačeny k přechodu, potkají se – proud teče.
Závěrný směr: P na −, N na +. Elektrony i díry jsou odtaženy od přechodu, vznikne prázdná vrstva – proud neteče.
U LED se při setkání elektronu s dírou uvolní energie jako světlo. Proto LED svítí jen v propustném směru.

Kde se to využívá

  • Usměrňovač – z diod; mění střídavý proud na stejnosměrný (nabíječky).
  • LED – úsporné osvětlení, displeje.
  • Fotovoltaický článek – světlo dopadající na přechod PN vytvoří napětí (solární elektrárny).
  • Termistor – elektronický teploměr.
LED nesvítí. Zkusíš ji otočit a svítí. Proč?
Byla zapojená v závěrném směru. Po otočení je P na + a N na − – propustný směr.
Jedním písmenem: polovodič s převahou volných elektronů je typu…
N – od „negativní“, elektrony mají záporný náboj.
✗Dioda propouští proud oběma směry, jen jedním hůř.
✓Dioda propouští proud jen jedním směrem.

V závěrném směru se u přechodu vytvoří vrstva bez volných nábojů, která proud zastaví.

Typ N má volné elektrony, typ P díry. Přechod PN = dioda: proud teče jen při P na +, N na −. Využití: usměrňovač, LED, solární článek.
🔄Transformátor☢️Jaderná energie