FIZYKA
Wykład 13 cz. a.
Elektryczność.
Przewodniki, izolatory i półprzewodniki.
Opis mikroskopowy i makroskopowy prÄ…du elektrycznego.
Prąd stały i zmienny. Podstawowe prawa przepływu prądu elektrycznego.
Złącze n-p, dioda świecąca, fotodioda. Tranzystor.
Przewodnictwo elektryczne
Przewodnictwo elektryczne
Prąd elektryczny to uporządkowany ruch swobodnych ładunków wywołany
różnicą potencjałów.
Warunki powstania prÄ…du elektrycznego:
" nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania się w przestrzeni tzn. nie być
unieruchomione w sieci krystalicznej
" musi istnieć przyczyna ruchu (siła elektryczna FE=qE, dyfuzja, unoszenie)
Nośniki prądu elektrycznego
substancja przewodząca nośnik
przewodnik elektrony walencyjne
elektrolit jony + i -
gaz jony i elektrony
półprzewodnik elektrony i dziury
próżnia dowolny rodzaj ładunków
Skąd się biorą ruchome nośniki ładunku?
" Istnieją w przewodniku jako gaz elektronowy w przestrzeni międzywęzłowej sieci
krystalicznej
" Są uwalniane z atomów (lub jonów) sieci (lub z innych centrów generacyjno-
rekombinacyjnych) pod wpływem drgań termicznych, optycznych lub sił elektrycznych.
Przewodnictwo elektryczne
Przewodnictwo elektryczne
PrÄ…d przewodzenia jest to prÄ…d elektryczny polegajÄ…cy na przemieszczaniu siÄ™
elektronów swobodnych lub jonów w środowisku przewodzącym, pod wpływem
pola elektrycznego.
Zależnie od natury fizycznej ładunków wytwarzających prąd elektryczny
wyróżniamy następujące rodzaje przewodnictwa elektrycznego:
-elektronowe (typu n),
-dziurowe (typu p),
-jonowe,
-mieszane.
Prąd przesunięcia jest to prąd elektryczny występujący w dielektryku
polegający na przemieszczaniu się ładunków dodatnich i ujemnych wewnątrz
atomu bez naruszenia struktury atomowej materii.
Prąd unoszenia zwany również prądem konwekcji, jest to prąd elektryczny
polegający na ruchu ładunków elektrycznych wraz z materią w środowisku
nieprzewodzącym. Przykładem prądu unoszenia jest strumień elektronów w
próżni, ruch ładunków wraz z parą wodną, strumieniem pyłu materialnego itp.
Prąd unoszenia jest zatem ruchem naładowanych cząstek.
Przewodnictwo elektryczne
Przewodnictwo elektryczne
Ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego wszystkie substancje
(materiały) można podzielić na: - przewodniki, dielektryki (izolatory), półprzewodniki.
Przewodniki
Są to substancje przewodzące ładunek elektryczny  ciała, których ładunki mogą
poruszać się swobodnie w ich wnętrzu (metale, elektrolity  wodne roztwory
kwasów, zasad i soli, zjonizowane gazy - w których istnieją jony i elektrony
swobodne, organizmy żywe  zawierają elektrolit).
Dobre przewodniki to: grafit, żelazo, stal, aluminium, złoto, miedz
, srebro.
Nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach są:
elektrony swobodne - w metalach i graficie
jony dodatnie i ujemne - w elektrolitach
jony dodatnie i ujemne oraz elektrony swobodne w zjonizowanych gazach
Izolatory (dielektryki)
Ciała, w których nie występują elektrony swobodne, ani jony dodatnie czy ujemne,
które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu.
Izolatory izolujÄ… Å‚adunek zgromadzony w pewnym miejscu na swej powierzchni i nie
dopuszczajÄ… do jego rozprzestrzeniania siÄ™. W izolatorze elektryzuje siÄ™ tylko jego
część zewnętrzna, która w danej chwili elektryzowania (pocierania) styka się z
drugim ciałem.
Dobrymi izolatorami prądu elektrycznego są: papier, tworzywa sztuczne, szkło,
drewno, porcelana.
Przewodnictwo elektryczne
Przewodnictwo elektryczne
Półprzewodniki
Substancje zachowujÄ…ce siÄ™ w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak
przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub
antymonek galu.
Półprzewodniki stanowią oddzielną klasę substancji, gdyż ich przewodnictwo ma
szereg charakterystycznych cech. Np. odwrotna niż dla metali zależność
przewodnictwa elektrycznego od temperatury. W dostatecznie niskich
temperaturach półprzewodnik staje się izolatorem. W szerokim zakresie temperatur
przewodnictwo przewodników szybko rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Drugą
ważną cechą półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku
niewielkich zmian ich składu.
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Nośnikami ładunku w metalu są poruszające się swobodnie (nie związane z poszczególnymi
atomami) elektrony tzw. elektrony przewodnictwa. Bez pola elektrycznego te elektrony
poruszają się (dzięki energii cieplnej) przypadkowo we wszystkich kierunkach.
Przyłożenie napięcia U (różnicy potencjałów "V) pomiędzy końcami przewodnika wytwarza
pole elektryczne E, które działa siłą na ładunki, powodując ich ruch w określonym kierunku w
przewodniku.
kierunek przepływu prądu
kierunek przepływu prądu
+
+
-
Za umowny kierunek prądu przyjmujemy kierunek ruchu ładunków dodatnich.
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I,
które definiuje się jako stosunek ładunku elektrycznego Q, który przepływa przez
poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu t przepływu tego ładunku:
dQ
Q C
îÅ‚A = Å‚Å‚
Prąd stały
I =
I = PrÄ…d zmienny
ïÅ‚ śł
dt
t s
ðÅ‚ ûÅ‚
Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A].
Wielkością związaną z natężeniem prądu jest gęstość prądu.
Gęstość prądu elektrycznego definiowana jest jako natężenie prądu na
jednostkÄ™ powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika:
I
j =
S
Gęstość prądu jest wektorem. Jego długość określa powyższy wzór, a kierunek i
zwrot są zgodne z wektorem prędkości ładunków dodatnich.
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Natężenie prądu I można wyrazić też przez liczbę ładunków przepływających
przez powierzchnię S, mających prędkość unoszenia vu
Całkowity ładunek nośników w
Q = nlSe
przewodniku o długości l
objętość przewodnika
Q nlSe
I = = = nSevu
l
t
vu
gdzie: n - koncentracja nośników prądu wyrażona przez ich liczbę na jednostkę
objętości (poruszających się w tym samym kierunku), e - ładunek każdego z
nośników, vu - średnia prędkość unoszenia nośników w zewnętrznym polu
elektrycznym.
Gęstość prądu: I
j = = nevu
S
gęstość ładunku
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Przykład
Obliczyć średnią prędkość unoszenia elektronów przewodnictwa
(swobodnych) w drucie miedzianym o przekroju 1 mm2, w którym płynie prąd
o natężeniu I = 1 A. Masa atomowa miedzi µ = 63.8 g/mol, a gÄ™stość miedzi
Á(Cu) = 8.9 g/cm3.
I
vu =
nSe
Koncentrację nośników obliczamy w oparciu o założenie, że na jeden atom miedzi przypada
jeden elektron przewodnictwa (mamy do czynienia z jonami Cu+1)
ÁNAv elektr.
n = = 8.4Å"1028
µ m3
vu = 7.4Å"10-5m / s = 0.074mm / s
Wywołana przyłożonym napięciem (sygnałem) zmiana pola elektrycznego rozchodzi się
wzdÅ‚uż przewodnika z prÄ™dkoÅ›ciÄ… bliskÄ… prÄ™dkoÅ›ci Å›wiatÅ‚a w próżni (2.998·108 m/s).
Oznacza to, że zewnętrzne pole elektryczne wywołuje ruch elektronów praktycznie
jednocześnie z włączeniem napięcia (nadaniem sygnału) wzdłuż całej długości przewodnika
tzn. równocześnie zaczynają się poruszać elektrony zarówno w pobliżu nadajnika jak i
odbiornika.
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Prawo Ohma
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do
napięcia przyłożonego do tego przewodnika. Współczynnik proporcjonalności R
jest przy tym stały i nie zależy ani od napięcia ani od natężenia prądu.
Prawo Ohma jest słuszne pod
U V
warunkiem, że przewodnik znajduje się
R = [&! = ]
w stałej temperaturze
I A
Opór elektryczny (rezystancja) to wynik oddziaływania elektronów przewodnictwa z
jonami sieci krystalicznej. Zależy od materiału i wymiarów przewodnika:
1
l
à =
à = e Å" n Å" µ
R = Á
Á
S
Á - opór wÅ‚aÅ›ciwy (rezystywność), charakteryzuje
elektryczne własności materiału
à  przewodnictwo wÅ‚aÅ›ciwe (konduktywność),
µ  ruchliwość Å‚adunku (vu/E)
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Wektorowa lub mikroskopowa, postać prawa Ohma
I U El E
j = = = =
S RS RS Á
Przewodnictwo właściwe
r
r
j = ÃE
à = e Å" n Å" µ
Dla czystych metali:
Opór właściwy materiału zależy od
temperatury (prędkość ruchu
przypadkowego cząsteczek zależy od
temperatury)
n  bardzo duże
µ= vu/E  maleje z temperaturÄ…
Opór resztkowy
Rt = R0(1+Ä… Å"t)
Temperaturowy
współczynnik oporu
PrÄ…d elektryczny
PrÄ…d elektryczny
Dla półprzewodników:
Przewodnictwo właściwe
µ  sÅ‚abo zależy od temperatury
n  silnie zależy od temperatury
à = e Å" n Å" µ
Energia aktywacji
- "E
öÅ‚
n = n0 expëÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
k Å"T
íÅ‚ Å‚Å‚
przewodnictwo właściwe
- "E
öÅ‚
à = Ã0 expëÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
k Å"T
íÅ‚ Å‚Å‚
"E
öÅ‚
Rt = R0 expëÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
k Å"T
íÅ‚ Å‚Å‚
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny tworzą elementy połączone ze sobą w taki sposób, że
istnieje co najmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu.
Elementy obwodów dzielimy na pasywne i aktywne
Elementy aktywne dostarczajÄ… do obwodu energiÄ™ elektrycznÄ…  z
ródła
napięciowe lub prądowe.
Elementy pasywne rozpraszajÄ… energiÄ™ elektrycznÄ… (zamieniajÄ… na inny rodzaj
energii, np. rezystory) lub magazynujÄ… energiÄ™ pod postaciÄ… energii pola w polu
elektrycznym (kondensatory) lub magnetycznym (indukcyjności).
A amperomierz
żarówka
opornik stały
V woltomierz
opornik suwakowy
z
ródło napięcia
wyłącznik
kondensator
cewka
indukcyjna
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
Zmiana energii potencjalnej Å‚adunku dq
przepływającego przez odbiornik (od punktu A do B)
wynosi
dW =U d q
Szybkość zmian
energii elektrycznej:
Energia elektryczna
P = UI
przekazana w jednostce czasu
Jeżeli przez jakikolwiek opór R płynie prąd elektryczny to towarzyszy temu
wydzielanie się ciepła (rozpraszanie energii w oporniku), które nazywamy ciepłem
Joule a
2
2
U
P = I R
P =
Ilość wydzielonego ciepła jest
R
równa pracy wykonanej przez prąd
elektryczny w czasie t
2
W = I RÄ
W = UIÄ
Prawo Joule a-Lenza
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
y
ródła siły elektromotorycznej SEM (np. baterie,
generatory elektryczne).
W urzÄ…dzeniach tych otrzymujemy energiÄ™ elektrycznÄ…
w wyniku przetwarzania innej energii.
SiÅ‚a elektromotoryczna µ okreÅ›la energiÄ™
elektrycznÄ… dW przekazywanÄ… jednostkowemu
Å‚adunkowi dq w z
ródle SEM
dW
µ =
dq
Miarą SEM jest różnica potencjałów (napięcie) na biegunach z
ródła prądu w
warunkach, kiedy przez ogniwo nie płynie prąd (ogniwo otwarte).
U = µ - IRw
Napięcie zasilania z
Opór wewnętrzny z
ródła
Zgodnie z prawem Ohma Uz = IRz µ = U + IRw
z
y
ródło idealne Rw = 0
Prawo Ohma dla obwodu
µ = I (Rw + Rz )
µ = IRz
zamkniętego
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
Pierwsze prawo Kirchhoffa:
Twierdzenie o punkcie rozgałęzienia. Algebraiczna suma natężeń prądów
przepływających przez punkt rozgałęzienia (węzeł) jest równa zeru.
n
I2
I1
"I =0
i
Węzeł
i=1
I
I2=I1+I3+I4
4
I
3
Drugie prawo Kirchhoffa:
Twierdzenie o obwodzie zamkniętym. Algebraiczna suma sił
elektromotorycznych i przyrostów napięć w dowolnym obwodzie zamkniętym jest
równa zeru (spadek napięcia jest przyrostem ujemnym napięcia).
U1 U2
n n
Oczko sieci
"µ +"I Ri =0
i i
Ui= 0
U5 U3
"
i=1 i=1
i
U4
Twierdzenie o obwodzie zamkniętym jest wynikiem zasady zachowania energii, a twierdzenie o
punkcie rozgałęzienia wynika z zasady zachowania ładunku.
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
Przykład 1
Dzielnik napięć
II prawo Kirchhoffa dla zewnętrznej dużej pętli:
II prawo Kirchhoffa dla wewnętrznej małej pętli:
I prawo Kirchhoffa dla węzła P:
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
Przykład 2
Dane: µ1 = 3 V, µ2 = 1.5 V, R1 = 1 &! oraz R2 = 2 &!.
II prawo Kirchhoffa dla pętli
II prawo Kirchhoffa dla pętli
po prawej stronie:
po lewej stronie:
I2 = 0.75 A
I1 = 3 A
I prawo Kirchhoffa dla węzła P:
I3 = 3.75 A
Otrzymaliśmy "dodatnie" wartości prądów więc założone kierunki są zgodne z
rzeczywistymi.
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny
A
ączenie rezystorów
Szeregowe:
R1 R2 R3
Przez oporniki płynie prąd o jednakowym natężeniu
U1 U2 U3
= + +
U U1 U2 U3
I
Å" = Å" + Å" + Å"
I R I R1 I R2 I R3
U
R R R R
R R R R
R R R R
R R R R
= + +
1 2 3
1 2 3
1 2 3
1 2 3
Równoległe:
Na wszystkich opornikach jest taka sama różnica potencjałów
= + +
I I1 I2 I3
U U U U
= + +
R R1 R2 R3
1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1
= + +
R R R R
R R R R
R R R R
R R R R
1 2 3
1 2 3
1 2 3
1 2 3
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
Prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie w dowolny
sposób. W zależności od charakteru tych zmian można wyróżnić następujące
rodzaje prÄ…du:
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d okresowy PrÄ…d nieokresowy
Prąd tętniący Prąd przemienny
PrÄ…d sinusoidalny
PrÄ…d niesinusoidalny
Często termin prąd zmienny stosowany jest do prądu okresowego o przebiegu sinusoidalnym
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d okresowy
jest to taki prąd zmienny, którego natężenie zmienia się w równych odstępach
czasu T tzn. i(t)=i(t+T)
i
i i i
T
T
t t
t
t
T
T
PrÄ…d nieokresowy
Jest to taki prąd zmienny, którego natężenie nie spełnia warunku okresowości
i
i
i
i
t
t
t t
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
Prąd tętniący
jest to taki prąd okresowy, w którym suma pól nad osią czasu (dodatniego) i pod
osią czasu ( ujemnego) jest różna od 0
i
i
+
+ +
-
t
t
T
PrÄ…d przemienny
jest to taki prąd okresowy, w którym suma pól nad osią czasu (dodatniego) i pod
osią czasu ( ujemnego) jest równa 0
i
+
-
t
T
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d niesinusoidalny
jest to taki prąd przemienny, którego wykres nie jest sinusoidą
i
i
i
t
t
t
T
T
T
PrÄ…d sinusoidalny
jest to taki prąd przemienny, którego wykres jest sinusoidą.
i
I = I0 sin(Ét +Õ)
t
U = U0 sin(Ét +Õ)
T
PrÄ…d zmienny
PrÄ…d zmienny
W obwodzie prądu zmiennego moc dana jest wyrażeniem: P(t) = U (t)I(t)
P(t) = U0I0 sinÉt sin(Ét -Õ)
U0I0
P = cosÕ
2
średnia moc zależy od przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem
Moc średnia wydzielana przy przepływie prądu zmiennego o amplitudzie I0
jest taka sama jak prądu stałego o natężeniu:
Wartość skuteczna
I0 U0
Wartość skuteczna natężenia
Isk = Usk =
napięcia prądu zmiennego
prÄ…du zmiennego
2 2
Wartość skuteczna natężenia prądu okresowego jest to natężenie takiego prądu
stałego, który, przepływając przez rezystor o nie zmieniającej się rezystancji R,
wydzieliłby na nim, w czasie jednego okresu T, lub jego wielokrotności, taką samą
ilość energii cieplnej, jaką, w tym samym czasie, wydziela dany prąd okresowy.
Model pasmowy
Model pasmowy
Własności elektronów w ciałach stałych wynikają z ich oddziaływania między
sobą i z atomami (jonami) sieci. Każde z tych oddziaływań jest bardzo
skomplikowane. Do analizy zachowania się elektronów w sieci stosujemy teorię
pasmową ciał stałych.
Teoria pasmowa  jest to teoria kwantowa, w której przyjmuje się dwa
przybliżenia: przybliżenie elektronów prawie swobodnych i przybliżenie silnie
związanych elektronów. W obu przypadkach otrzymujemy pewne zakresy energii
dozwolone dla elektronów, które mają charakter pasm energetycznych oraz
zakresy energii zabronione dla elektronów, nazywane przerwami energetycznymi
(pasmami wzbronionymi).
Pasmo energetyczne stanowi układ dyskretnych, leżących bardzo blisko siebie
podpoziomów energetycznych. Odległości w skali energii między podpoziomami w paśmie
są tak małe, że pasma energetyczne można traktować jako ciągłe.
E
ZwiÄ…zane ze wzbudzonymi elektronami
Pasmo
walencyjnymi
przewodnictwa
Eg
Pasmo zabronione
ZwiÄ…zane z nie wzbudzonymi elektronami
pochodzącym z zewnętrznych (walencyjnych)
Pasmo podstawowe
(walencyjne)
powłok atomowych
X
Model pasmowy
Model pasmowy
Struktura pasmowa metalu, półprzewodnika i izolatora oraz ich obsadzenie elektronami
w temperaturze zera bezwzględnego T = 0K.
pasmo przewodnictwa jest całkowicie puste
elektrony walencyjne
częściowo wypełniają
pasmo przewodnictwa
Eg = 0 0.1 eV < Eg < ok. 2 eV Eg > ok. 2 eV
metal półprzewodnik izolator
EC  pasmo przewodnictwa
Eg  pasmo zabronione
pasmo podstawowe jest całkowicie zapełnione
EV  pasmo walencyjne
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Przejście elektronu z pasma walencyjnego w półprzewodniku do pasma
przewodnictwa oznacza w modelu energetycznym pojawienie się w paśmie
walencyjnym wolnego stanu nie obsadzonego elektronem zwanego dziurÄ….
Wytworzona dziura może zostać zajęta przez jeden z sąsiednich związanych
elektronów i w rezultacie przesunąć się w inne miejsce. Jest więc ona nośnikiem
dodatniego Å‚adunku elementarnego.
W obecności zewnętrznego pola elektrycznego dziury będą poruszać się w
kierunku pola (tzw. prÄ…d dziurowy), a wolne elektrony w kierunku przeciwnym (tzw.
prąd elektronowy). W ten sposób w półprzewodniku występują obok siebie dwa
niezależne nośniki prądu. Właściwość tę ma każdy czysty materiał
półprzewodnikowy o nie zaburzonej strukturze krystalicznej. Półprzewodniki takie
nazywamy samoistnymi.
T >0 K
E
Generacja pary
elektron dziura
Dla półprzewodnika samoistnego
Foton
koncentracja elektronów przewodnictwa n i
koncentracja dziur p są sobie równe n = p.
Ec
Istnienie dwóch typów prądów jest
Rekombinacja
charakterystyczną cechą półprzewodników
Foton
Ev
0
X
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Półprzewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryształu zamiast
atomów pierwiastka materiału półprzewodnikowego znajduje się inny atom (np. w sieci
krystalicznej krzemu znajduje się fosfor). Powstaje wówczas tzw. półprzewodnik
domieszkowany, a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje
domieszek: donorowÄ… i akceptorowÄ….
E Pasmo przewodnictwa
Półprzewodniki typu n - na skutek
(nadmiar elektronów)
nieregularności sieci krystalicznej w
półprzewodniku przeważają nośniki
Poziom donorowy
elektronowe, które w strukturze
Elektrony
krystalicznej utworzÄ… nowy poziom -
poziom donorowy. Elektrony z tego
Pasmo podstawowe
poziomu niewielkim kosztem
energetycznym mogą przenosić się
X
do pasma przewodnictwa.
E
Pasmo przewodnictwa
Półprzewodniki typu p 
Dziury przeważają nośniki typu dziurowego.
Poziom akceptorowy
Powyżej pasma walencyjnego
pojawia siÄ™ wolny poziom, zwany
akceptorowym. Spontaniczne
przejście elektronów na ten poziom
Pasmo podstawowe
powoduje powstawanie dziur, które
(nadmiar dziur)
są nośnikiem dominującym.
X
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Złącze p-n czyli dioda półprzewodnikowa
Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych
rodzajach przewodności niesamoistnej. Granica zetknięcia półprzewodnika typu p z
półprzewodnikiem typu n nosi nazwę złącza p-n. Można je uzyskać w jednym krysztale, jeżeli
wytworzyć w nim dzięki odpowiednim domieszkom równocześnie obszary p i n. W obszarze
złącza p-n elektrony przechodzą z półprzewodnika typy n (nadmiar elektronów) do p (nadmiar
dziur), natomiast dziury w kierunku przeciwnym. Zjawisko to nazywamy dyfuzją nośników
ładunku (prąd dyfuzyjny Idyf), a jego przyczyną jest różnica koncentracji nośników po obu
stronach złącza. W wyniku tego zjawiska obszar p naładuje się ujemnie, a obszar typu n
dodatnio. Powstaje warstwa zaporowa o szerokości l i kontaktowa różnica potencjałów V0,
która utrudnia dalszą dyfuzję nośników większościowych przez płaszczyznę złącza.
Rozkład ładunku i nośników w niespolaryzowanej diodzie półprzewodnikowej n-p
Idyf Potencjał na granicy złącza p - n
Idryf
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Jeżeli do złącza p-n przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne Ez w kierunku zgodnym z
kierunkiem pola Enp (do n  biegun dodatni, a do p  biegun ujemny), to grubość warstwy
zaporowej wzrośnie. W wyniku tego rezystancja złącza znacznie wzrośnie i będzie przez
niego płynąć stosunkowo słaby prąd. Nosi on nazwę zaporowego, a jego kierunek przepływu
 kierunku zaporowego.
Spolaryzowana dioda n p w kierunku zaporowym.
Kierunek
Kierunek
przewodzenia
zaporowy
Izap
Idyf
Idryf
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Jeżeli do złącza p-n przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne Ez w kierunku przeciwnym do
wewnętrznego pola złącza Enp (do n  biegun ujemny, a do p  dodatni), to zmniejsza się
grubość warstwy zaporowej i jej rezystancja. Przy takiej polaryzacji przez diodę może płynąć
prąd o dużym natężeniu, a jego kierunek nazywamy kierunkiem przewodzenia.
Kierunek
Kierunek
przewodzenia
zaporowy
Iprzew
Idyf
Idryf
Natężenie prądu I płynącego przez złącze p - n pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcie
UD wyraża się następującym wzorem
U
D
kT
T
I = Is (eU -1) gdzie UT = E" 26mV przy T = 300K
e
W miarę zwiększania napięcia zewnętrznego prąd dyfuzyjny staje się coraz większy, osiągając
bardzo duże wartości gdy wartość napięcia zewnętrznego zbliża się do wartości około 0,7 V, dla
złącza krzemowego.
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Dioda prostownicza
W diodach wyprowadzenie polaryzowane dodatnio dla pracy w
kierunku przewodzenia nazywa się anodą A, a drugą końcówkę,
polaryzowaną ujemnie, katodą K. Strzałka w symbolu diody
wskazuje kierunek przepływu prądu przewodzenia.
Przy polaryzacji złącza PN w kierunku zaporowym napięciem
większym niż pewna charakterystyczna dla danego złącza wartość
napięcia nazywana napięciem przebicia, następuje raptowny wzrost
prądu płynącego przez złącze. Zjawisko to nosi nazwę przebicia
złącza. Wyróżnia się dwa mechanizmy przebicia złącza: przebicie
Zenera i przebicie lawinowe. Przebicie Zenera wiąże się z jonizacją
elektrostatyczną atomów w sieci krystalicznej, natomiast przebicie
lawinowe, z jonizacjÄ… zderzeniowÄ….
Podstawowym zastosowaniem diod jest prostowanie, czyli zamiana napięcia przemiennego,
pochodzącego najczęściej z transformatora, na jednokierunkowe. Poniższy układ nazywany
jest prostownikiem jednopołówkowym, ponieważ napięcie wyjściowe występuje jedynie przez
połowę okresu wejściowej fali sinusoidalnej.
Uw
e
t
Uw
y
t
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Dioda świecąca LED
Kiedy następuje przejście elektron-dziura w półprzewodniku (rekombinacja)
uwalniana jest przy tym energia równa szerokości przerwy energetycznej
Eg. Może ona być przekazana drganiom termicznym sieci (brak emisji
światła, np. krzem, german) lub zostać wyemitowana w postaci fotonu
(arsenek galu):
c c hc
T >0 K
 = = =
E
Generacja pary v Eg / h Eg
elektron dziura
Foton
Aby ilość emitowanego światła była na tyle duża, żeby
złącze było użyteczne, w materiale musi zachodzić
Ec
dostatecznie dużo przejść elektron-dziura.
Rekombinacja
Foton
Układ o tej właściwości można uzyskać silnie polaryzując w
Ev
kierunku przewodzenia znacznie domieszkowane złącze p-n.
Prąd płynący przez złącze dostarcza wielu elektronów do
0
X
materiału typu n oraz dziur do materiału typu p. Jeśli
domieszkowanie jest wystarczająco silne, a natężenie prądu
duże, to obszar zubożony będzie bardzo wąski. W efekcie
obszary o dużych koncentracjach elektronów i dziur znajdują
się blisko siebie co umożliwia zachodzenie mnóstwa
procesów rekombinacji elektron-diura.
Fotodioda
Oświetlenie odpowiednio zaprojektowanego złącza p-n
spowoduje przepływ prądu w obwodzie, którego częścią
jest złącze.
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Tranzystor
Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność
wzmacniania sygnału elektrycznego. Zbudowany jest z trzech warstw
półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza p-n.
Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika,
nazywane: emiter (ozn. E), baza (ozn. B), kolektor (ozn. C).
Do  diody jest przyłożone napięcie w kierunku
przewodzenia - płynie duży prąd (dziurowy) z
emitera do bazy. Baza jest na tyle cienka, że
większość dziur przechodzi (dyfunduje) do
kolektora, a tylko niewielka część (około 1%)
wypływa z bazy (Ibe). Pozostały prąd (99%)
wypływa przez kolektor (Ike). Kolektor jest na
bardziej ujemnym potencjale niż baza aby dodatnie
dziury łatwiej mogły do niego przechodzić.
Ike
współczynnikiem wzmocnienia prądu.
² =
Ibe W typowych tranzystorach ² = 100
Jeżeli na wejściu tranzystora prąd Ibe jest sygnałem zmiennym o
danej charakterystyce to na wyjściu otrzymamy prąd Ike o takiej
samej charakterystyce ale ² razy silniejszy. Charakterystyki
tranzystorów npn są takie same z tym, że nośnikami
większościowymi ładunku są elektrony, a nie dziury.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wyklad? IS
Wyklad 9 IS
Wykladb IS
Wyklad 6 IS
Wykladb IS
Wyklad 4 IS
GW Wyklad 5 IS cz2
Wyklad IS
Wyklad? IS
Wyklad 5 IS
Wyklad 2 IS
Wyklad 1 IS
USM Automatyka w IS (wyklad 3) regulatory ppt [tryb zgodnosci]
Wyklad 2 Model IS LM
Wyklad 3 Polityka pieniezna w modelu IS LM
IS Wyklad 2
IS wyklad# MDW
USM Automatyka w IS (wyklad 5) Zawory reg ppt [tryb zgodnosci]

więcej podobnych podstron