Základní škola a mateřská škola Bzenec

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/21.2769

Číslo a název šablony klíčové aktivity:

I/2: čtenářská a informační gramotnost - inovace

Vypracoval/a: Mgr. Jana Presová

Ověřil/a: Mgr. Jana Presová

Název výukového materiálu:

Elektrický proud v polovodičích - 9. ročník

Vzdělávací obor: fyzikaTematický okruh: elektrický proud v látkáchTéma:

I. Polovodivé látky, vlastní vodivostII. Nevlastní vodivost, polovodič typu N a PIII. Dioda a její zapojeníIV. Použití diodyV. Další součástky s PN přechody

Stručná anotace:Prezentace shrnující nejdůležitější informace o polovodičích a polovodičových diodách

(vodivost, příměsi, použití diod v praxi, polovodičové součástky, …).

Rozdělení látek

podle elektrických vlastností látky rozdělujeme na:• vodiče – obsahují volné elektricky nabité částice

a dobře vedou elektrický proud• polovodiče – za určitých podmínek se v nich

mohou uvolnit elektricky nabité částice a vést elektrický proud

• izolanty – neobsahují volné elektricky nabité částice a nevedou proto elektrický proud

Srovnání kovového vodiče a polovodiče• kovy - s rostoucí teplotou roste měrný odpor (a tedy i

odpor) klesá vodivost• polovodiče - s rostoucí teplotou většinou měrný

odpor (a tedy i odpor) klesá roste vodivost

• pozn.: vodivost polovodičů může taky záviset na osvětlení, čehož se využívá např. u automatického otevírání a zavírání dveří

Z čeho jsou?mezi nejznámější polovodivé materiály patří

prvky IV. A skupiny (germanium Ge, křemík Si)

• termistory – vyrábí se z oxidů některých prvků (oxid kobaltnatý, hořečnatý, železitý, titaničitý, …)

• fotorezistory – vyrábí se z materiálů citlivých na světlo (síran kademnatý, selenid kademnatý, …)

u polovodičů rozeznáváme dva typy vodivosti:• vlastní – čisté polovodiče (bez příměsí)• nevlastní - obsahují příměsi jiných prvků

Vlastní vodivost (vodivost čistých polovodičů)

• prvky ze IV.A skupiny mají 4 valenční elektrony podílející se na vazbě

• tyto valenční elektrony se mohou z vazby uvolnit, získají-li dostatečnou energii např. zahřáním, dopadajícím zářením

• při nízkých teplotách nemá čistý polovodič téměř žádné volné elektrony – má velký odpor a velmi malou vodivost

• při vyšších teplotách se některé elektrony z vazeb uvolní – volné místo po elektronu se chová jako kladně nabitá částice – díra

Součástky využívající vodivosti čistých polovodičů:• termistor a fotorezistor

Fotorezistor

• odpor závisí na osvětlení (víc světla = větší vodivost)

Použití• měření intenzity světla • fotozávory • automatické počítání předmětů• automatické otevírání dveří, …

schematická značka:

Termistor

• odpor závisí na teplotě (zahřátím součástky odpor klesá a roste vodivost)

Použití:• teplotní čidla (k měření teploty)

schematická značka:

t

Nevlastní vodivost (vodivost příměsová)

do čistého polovodiče (prvky IV. A skupiny) přidáme prvky ze III. A nebo V. A skupiny

podle toho rozeznáváme dva typy polovodičů:• polovodič typu N• polovodič typu P

Polovodič typu N

• příměs - prvky V. skupiny (např. arsen As)

• z pěti valenčních elektronů arsenu se jen čtyři podílí na vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny, zbývající pátý elektron je vázáný jen slabě a již při mírném zahřátí se dokáže uvolnit a pohybovat se po látce

• vedení elektrického proudu v tomto polovodiči je tedy zprostředkováno nadbytečnými elektrony (ty mají záporný = negativní náboj)

• po připojení ke zdroji se nadbytečné elektrony pohybují usměrněně – vedou elektrický proud

Polovodič typu P

• příměs - prvku III. skupiny (např. indium In)

• na vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny se podílí jen tři elektrony, na jednom místě tedy vznikne díra, která však může být snadno zaplněna přeskokem elektronu od sousedního atomu

• vytvořené díry se v polovodiči volně pohybují (tím, že si přetahují elektrony odjinud) a vedou tak elektrický proud (díry mají kladný = pozitivní náboj)

• po připojení ke zdroji se díry pohybují usměrněně (přitahují si elektrony tak, aby se pohybovaly směrem k zápornému pólu zdroje)

Polovodičová dioda

• polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P (anoda) a s částí typu N (katoda)

• v polovodiči typu N je velký počet volných elektronů, v polovodiči typu P je značná převaha děr

• v okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) mohou volné elektrony a díry přecházet z jedné části do druhé

• může to vypadat takto:

Vzhled diody

Schematická značka:

Zapojení diody

• o tom, zda bude diodou procházet proud, rozhoduje polarita zdroje

• diodu můžeme do obvodu zapojit dvojím způsobem, a to:– v propustném směru – proud prochází– v závěrném směru – proud neprochází

Zapojení v propustném směru

• pokud zapojíme kladný pól zdroje k polovodiči typu P (anoda) a záporný pól zdroje k polovodiči typu N (katoda), volné elektricky nabité částice budou přecházet přes PN přechod a obvodem bude procházet proud

Zapojení v závěrném směru• pokud zapojíme kladný pól zdroje k polovodiči typu N

(katoda) a záporný pól zdroje k polovodiči typu P (anoda), volné elektricky nabité částice nebudou přecházet přes PN přechod (půjdou směrem od něj!) a obvodem nebude procházet elektrický proud

pozn.: ve skutečnosti diodou nějaký prochází proud, ale je však velmi malý

Použití polovodičové diody• dioda se velmi často používá k usměrnění střídavého

proudu (jeden směr proudu propustí a druhý ne)• usměrnění může být:

– jednocestné– dvojcestné

• jednocestný usměrňovač - propouští pouze jednu půlvlnu vstupního napětí (proudu), je to nejjednodušší zapojení usměrňovače, které vyžaduje pouze jednu diodu

tzv. tepavý proud

Dvoucestný usměrňovač • propouští obě půlvlny vstupního napětí (proudu),

jednu přímo a druhou půlvlnu obrací na opačnou • nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače

je Grätzův můstek (zapojení čtyř diod)

Další polovodičové součástky

• stabilizační (Zenerova) dioda - vyrovnává průběhu proudu ve stabilizačních obvodech

• hrotová dioda – používá se v měřící, rozhlasové a televizní technice

• LED dioda• fotodioda• tranzistor• tyristor - používá se jako spínač a především jako

řízený usměrňovač

LED dioda• je to dioda vyzařující světlo pokud jí prochází proud

(zapojení v propustném směru)• také se jí říká svítivka • obsahuje jeden PN přechod

schematická značka:

Fotodioda• pokud na ni svítí světlo, stává se zdrojem

elektrického napětí• jedna fotodioda může dát maximálně napětí 0,5V• v praxi se využívá u slunečních článků a baterií• obsahuje jeden PN přechod

schematická značka:

Tranzistor

• má dva PN přechody• je základem integrovaných obvodů (např. procesory,

paměti, zesilovače, …)

schematická značka:

Video – LED diody• http://www.youtube.com/watch?v=Aj3_v7xCyJ0&feature=related

• http://www.youtube.com/watch?v=SxvPb3JC11E&feature=related

• http://www.youtube.com/watch?v=_SO1J1kP3YQ&feature=related

ZdrojeZdroje: : texty a texty a obrázkyobrázky

• Učebnice fyziky pro základní školy– R. Kolářová, J. Bohuněk, I. Štoll, M. Svoboda, M. Wolf, nakladatelství Prometheus 2001– K. Rauner, V. Havel, M. Randa, nakladatelství Fraus 2007– Z. Lustigová, nakladatelství Fortuna 1999– J. Maršák, nakladatelství Kvarta Praha 1993

• Pracovní sešit k učebnici fyziky – K. Rauner, V. Havel, M. Randa, nakladatelství Fraus 2007

• Přehled učiva fyziky – S. Pople a P.Whitehead, nakladatelství Svojtka&Co. 1999

• Fyzika - přehled učiva základní školy – J. Vachek, nakladatelství SPN 1978

• Fyzika I. a II. – Z. Horák a F. Krupka, nakladatelství SNTL/ALFA, 1976

• Pokusy z fyziky s jednoduchými pomůckami – E. Svoboda, nakladatelství Prometheus

• Fyzika – ilustrovaný přehled– Ch. Oxlade, C. Stockley aj. Werheim, nakladatelství Blesk Ostrava 1994

• Internetová encyklopedie - wikipedie

Zdroje – texty a obrázky• http://www.vossost.cz/svab/elektross/index.html

• http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=259

• http://radek.jandora.sweb.cz/f14.htm

• http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/2-3.htm

• http://www.e-fyzika.cz/

• http://www.zslado.cz/vyuka_fyzika/e_kurz/9/ipolovodice/ipolovodicevykl.htm

Zdroje - obrázky a videa• http://www.youtube.com• http://led-2.navajo.cz/• http://www.hy-line.de/index.php?L=1&id=1022

• http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photodiode-closeup.jpg• http://www.mirracle.ic.cz/elsch/elsch.htm• http://elektronika.host22.com/test/articles.php?article_id=1

• http://e10.blog.cz/rubrika/elektrotechnika• http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=5117• http://www.sos.sk/?str=1

• http://www.gymcv.cz/view.php?cisloclanku=2005090002• http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?

xkat=fyzika&xser=456c656b74f8696e612061206d61676e657469736d7573h&key=542