Elektrický prúd v polovodičoch a jeijich využitie, kvantová teória, fotoelektrický jav

polovodiče

napr: Si, Ge, Te, So, PbSD, CDs, GaAs .... ** **

• vedú prúd pri 2 podmienkach

1. ak majú merný el. odpor oveľa väčšie, než vodiče, ale menšie, než izolanty

2. teplota ovplyvnená elektr. vlastnosťami látok

• vznik páru elektrón - diera nazývame generácie a zánik kombinácie

vodivosť: a) vlastné - ovplyvnená teplotou (s ňou rastie), voľné častice s nábojom si dodáva sám

• v kryštalickej mriežke kremíka je 10 elektrónov pevne viazané k jadru a 4 atómy sú vo valenčnej vrstve

• pri nízkej teplote sú elektróny viazané vo väzbách -> kremík je nevodiace

• pri zahriatí sa elektróny uvoľňujú -> vznik voľných elektrónov a dier - generácia páru elektrón - diera -> kremík môže viesť el. prúd

• diera sa chová ako záporný náboj a takisto sa podieľa na vedenie prúdu

2. prímesové - ovplyvnená prímesami, dvojakého typu: P a N

• k čistému polovodiča pridáme atómy iných prvkov -> výrazné ovplyvnenie vodivosti

Prímesové vodivosť typu P

• prímes elektróny odoberá = akceptor (z 3. radu PTP)

• napr. Si + In

• diery sú väčšinové (majoritné) a elektróny sú menšinové (minoritné)

Prímesové vodivosť typu N (negatívny náboj)

• majoritný (väčšinové) elektróny a menšinové (minoritné) sú diery

• vznikne pridaním prvku z 5. radu PTP (arzén, fosfor)

• prímes dodáva elektróny = darcu čiže DONOR

polovodičové súčiastky

Termistor - so zvyšujúcou teplotou sa zmenšuje odpor - indikátor teploty (digitálne teplomery)

Fotorezistor - so zvyšujúcim žiarenia sa zmenšuje odpor - regulácia osvetlenia

polovodičové dióda

• skladá sa z dvoch polovodičov (typu N a P)

• využíva sa PN prechodu

• prepúšťa el. prúd iba v jednom smere (priepustnom smere)

• využitie - usmerňovače, dióda, LED dióda (luminiscenčné dióda - prechod PN je sprevádzaný uvoľňovaním E vo forme svetla  svetielkovanie)

+ C

hradlové vrstva

hradlové vrstva uprostred

[+ P +] [] [- N-]

• mení svoju hrúbku podľa smeru a veľkosti prúdu (v závernom smere sa rozšíri a prepúšťa len min. Prúd)

Voltampérová charakteristika diódy

priepustný smer

záverný smer

Ur - prierazné napätie (nesmieme prekročiť)

Uf - napätie hradlové vrstvy (0,5V)

Ir - maximálny prípustný prúd

• tranzistor

• prvok s dvoma prechodmi NP

• pr. Zapojenie so spoločnou bázou, + nakresliť aj fyzicky
  

E - emitor, B - báza, C - kolektor

• ak obvodom emitora nepreteká prúd -> obvodom kolektora tiež nepreteká prúd

• pri malom zvýšení napätia v obvode emitora sa mnohonásobne zvýši prúd v obvode kolektora -> reguláciou malých napätia na emitora regulujeme veľké prúdy v obvode kolektora

• podľa typu rozmiestnenie rozlišujeme tranzistory PNP (a) a NPN (b) (NPN šípka von)

• využitie - zosilňovače, riadenie, prakticky všetka elektronika a výpočtová technika je založená na tranzistoroch, ktoré sú väčšinou vtěsnávány do integrovaných obvodov

fotoelektrický jav

Fotoemise je uvoľňovanie elektrónov z niektorých kovov ak na ne dopadalo svetlo určitej vlnovej dĺžky.

Elektromagnetické žiarenie vydávajú všetky telesá. Chladná vyžarujú infračervené žiarenie okom neviditeľné, telesá zahriata nad 500 ° C septembra viditeľne.

Planck svoju kvantovú hypotézou vyslovil predpoklad, že žiarenie vydávané a pohlcované jednotlivými atómami zohriateho telesa nemôže mať ľubovoľnú energiu, ale vždy je vyžarované alebo pohlcované v určitých dávkach (kvantách). - nie spojito. Energia takéhoto žiarenia je úmerná frekvencii a konštantou úmernosti je tzv. Planckova konštanta h:

kvantum žiarivej energie - FOTON - častice bez pokojovej hmotnosti

• pohybuje sa rýchlosťou c

- tab. energia fotónu, druhá časť pozri otázku 9

• h - Planckova konštanta, ** ** tab. vzadu

fotoelektrický jav

Kvantové vlastnosti žiarenia sa výrazne prejavujú pri fotoelektrický jav, ktorý pozorujeme u kovov (® vonkajšie fotoel. Jav) a polovodičov (® vnútorná fotoel. Jav). Fotoelektrický jav bol známy už dlho, ale až v 20. storočí bol vysvetlený.

vonkajšie fotoelektrický jav - Dopadajúce žiarenie uvoľňuje z kovu elektróny.

Po ožiarení krátkovlnným zdrojom sa z katódy uvoľňujú elektróny, ktoré sú priťahované k anóde a dochádza k uzavretiu elektrického obvodu - ampérmetrom prechádza malý prúd (fotoproud).

vnútorné fotoefekt - dopadajúce fotóny uvoľňujú v polovodiči elektróny -> vznik dier -> vodivosť (zostávajú v polovodiči a nejdú obvodom)

• využitie - fotodiódy, ...

zákonitosti:

1. Pre každý kov existuje medznej frekvencie f _m, pri ktorej dochádza k fotoemisi. Ak je f <f _m, k fotoelektrickému javu
nedochádza.

2. Elektrický prúd (počet emitovaných elektrónov) je priamo úmerný intenzite dopadajúceho žiarenia.

3. Rýchlosť emitovaných elektrónov (teda aj ich kinetická energia) je priamo úmerná frekvencii dopadajúceho žiarenia, závisí od materiálu katódy a nezávisí na intenzite dopadajúceho žiarenia.

• Einsteinova rovnica fotoefektu - uspokojivo vysvetlil fotoelektrický jav v 20. Sotli za využitie Planckova vzťahu a získal za to Nobelovu cenu:

** **

• h * f - energia fotónu

• W - výstupné práce materiálu (nutná k uvoľneniu elektrónu z kovu)

• [Wv] = J (častejšie sa používa jednotka eV - 1 eV = 1,602 * 10-19 J)

• ½ * m * v2 - energie vylétávajícího elektrónu

• fotoemise nastane, ak h * f> Wv * f> fm (medzná frekvencia)

Fotoelektrický jav sa uplatňuje v optoelektrických zariadeniach, automatizačných sústavách, snímacích elektrónkach televíznych kamier, slnečných batériách pod. Najčastejšie sa využíva vnútorný fotoelektrický jav v polovodičových súčiastkach - fotorezistor a fotodióda.

Fotorezistor - pokiaľ nie je osvetlený, má veľký odpor, ktorý sa po osvetlenie znižuje a obvodom s Fotorezistor prechádza prúd úmerný intenzite dopadajúceho žiarenia.

Fotodióda - po osvetlenie znižuje svoj odpor v závernom smere (odporové zapojenie) alebo na elektródach diódy vzniká napätie a fotodióda sa stáva zdrojom jednosmerného napätia (hradlové zapojenie). Schematická značka s šípkami opačne, než LED dióda

Solárna energia - fotočlánky