Orbis pictus21. století

Tato prezentace byla vytvořenav rámci projektu

Orbis pictus 21. století

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

PN PN přechod, princip diodypřechod, princip diody

Obor: Elektrikář

Ročník: 1.

Vypracoval: Ing. Jiří Šebesta, Ph.D.

Polovodič je látka, která se v běžném stavu chová jako

izolant.

Pokud však na polovodič působíme 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.

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

Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku

působením fotonu

Vznik volného elektronu a porušení atomové vazby křemíku

působením elektrického pole

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).

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“

I v nedotovaných polovodičích mohou vznikat volné elektrony

a k nim párové díry (např. působením tepla)

Opačně kladný 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

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).

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.

Systém s jedním PN přechodem reprezentuje polovodičovou

diodu Kontakt na polovodiči P je označován jako anoda - A Kontakt na polovodiči N je označován jako katoda - C

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).

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

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

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.

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

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.

Děkuji Vám za pozornost

Jiří Šebesta

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010