Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Orbis pictus 21. století PN přechod, princip diody Obor: ElektrikářRočník: 1.Vypracoval:Ing. Jiří Šebesta, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3. Polovodič je látka, která se v běžném stavu chová jako izolant. • Pokud však na polovodičpůsobíme z vnějšku (ohřátím, světlem nebo vnějším elektrickým polem),z atomů polovodiče mohou být vytrhávány valenční elektrony (elektrony z vnější atomární slupky),které mohou být nosiči elektrického proud a polovodič se pak chová jako vodič. • Valenční elektrony současně zajišťují vazbu (v krystalické struktuře) se sousedním atomem. • Typickým představitelem polovodičů je křemík Si se 4 valenčními elektrony.

4. Krystalická struktura křemíku s vazbami pomocí valenčních elektronů • Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením teploty - atomy vlivem tepla kmitají a trhají se meziatomové vazby

5. Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením fotonu • Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku působením elektrického pole

6. Uvolněný valenční elektron je nosičem záporného náboje. • Po uvolněném valenčním elektronu vznikne v atomu díra,která je nosičem kladného náboje (atom bez valenčního elektronu vykazuje kladný náboj – protonů je více než elektronů). • Pro realizaci polovodičových součástek se používají polovodiče s příměsí (vhodný počet atomů jiného - cizího prvku). • Příměsí cizích atomů (dotace, dotování) získáme polovodič typu „P“ nebo typu „N“. • Dotace zvětšuje vodivost polovodiče (tzv. příměsová vodivost).

7. Dotace pětimocným prvkem (např. Fosfor P) tzv. donor – vzniká volný elektron (nemá se kam vázat) – polovodič typu „N“ • Dotace trojmocným prvkem (např. Indium In) tzv. akceptor – vzniká volná díra (chybí elektron do vazby) – polovodič typu „P“

8. I v nedotovaných polovodičích mohou vznikat volné elektrony a k nim párové díry (např. působením tepla) • Opačněkladný a záporný náboj se přitahují, záporný volný elektron může být přitažen klaným atomem s dírou, dochází k tzv. rekombinaci • PN přechod je tvořen polovodičem, jehož jedna část vykazuje vodivost typu „P“ a druhá část vodivost typu „N“ volné díry => <= volné elektrony

9. Volné elektrony a díry poblíž vlastního přechodu rekombinují, vznikne tzv. difúzní proud • V ustáleném stavu vznikne prostorový náboj (nabitý malý kondenzátor s jednou elektrodou v polovodiči P a druhou v polovodiči N, izolaci tvoří volný prostor v okolí přechodu).

10. Připojíme-li ke kontaktům polovodiče s PN přechodem vhodné napětí tak, že kladné napětí bude na polovodiči P a záporné na N, začne kladné napětí odpuzovat díry z polovodiče P a přitahovat elektrony z polovodiče N (stejný účinek má záporné napětí na kontaktu polovodiče N). • Začne téct proud, polovodičový přechod je polarizován v propustném směru.

11. Systém s jedním PN přechodem reprezentuje polovodičovou diodu • Kontakt na polovodiči P je označován jakoanoda - A • Kontakt na polovodiči N je označován jakokatoda - C

12. Při postupném zvyšování napětí na diodě, resp. PN přechodu, v propustném směru musí být nejprve překonána oblast prostorového náboje. • Pro malá propustná napětí je intenzita elektrického pole velmi nízká a oblast prostorového náboje překoná jen malé množství nosičů náboje. • Pro vzrůstající propustné napětí se oblast prostorového náboje zmenšuje, elektrické pole působí na kratší dráze, kterou překoná stále více nosičů náboje (proud pozvolna roste).

13. V okamžiku kdy oblast prostorového náboje zcela zanikne pohyb nosičů již není ničím omezován a proud prudce vzroste. • Napětí při kterém tento jev nastává se nazývá prahové napětí, u křemíkových PN přechodů (Si diod) je jeho hodnota okolo 0,6 až 0,7 V - viz. voltampérová charakteristika diody • V-A charakteristika diody 1N5061 v propustném směru

14. Připojíme-li ke kontaktům polovodiče s PN přechodem vhodné napětí tak, že záporné napětí bude na polovodiči P a kladné na N, začne záporné napětí přitahovat díry z polovodiče P a odpuzovat elektrony z polovodiče N (stejný účinek má kladné napětí na polovodiči N) = závěrně polarizovaný PN přechod • Proud bude prakticky nulový, tzv. zbytkový proud, a oblast prostorového náboje se zvětší

15. Pokud budeme dále zvyšovat závěrné napětí na diodě, začnou záporné nosiče náboje na kontaktu anody přitahovat i kladné nosiče z kontaktu katody (a naopak), odčerpají se všechny volné nosiče v polovodiči, prudce vzroste proud podporovaný nosiči náboje z napájecího zdroje a dojde k tzv. průrazu. • Při průrazu dochází k rekombinaci, jejímž výsledkem je tepelné záření, které může diodu trvale poškodit.

16. Do hodnoty průrazného závěrného napětí teče přechodem jen velmi malý závěrný proud, tzv. zbytkový proud. • V okamžiku průrazu dojde k velmi rychlému nárůstu závěrného proudu a PN přechod se může tepelně zničit, tzv. destruktivní průraz • V-A charakteristika diody 1N5061 v závěrném směru

17. Názorný model principu diody • Diodu a její funkci si můžeme představit jako vodovodní trubku s pohyblivou klapkou a zarážkou – obr. a). Jestliže do trubky s klapkou pustíme vodu zprava, tlak vody klapku zatlačí na zarážku a voda nemůže proudit trubkou dále – obr. b). Proud vody v trubce zprava představuje diodu v závěrném směru. Naopak, jestliže pustíme do trubky vodu zleva, klapka se tlakem vychýlí a voda může bez problémů proudit – obr. c). Proud vody v trubce zleva představuje diodu v propustném směru.

18. Děkuji Vám za pozornost Jiří Šebesta Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky