Usmerňovacie prvky

Usmerňovacie prvky

Fyzikálna podstata činnosti polovodičových obvodových súčiastok

El. prúd v polovodičoch

Charakteristický znak polovodičov: veľká závislosť merného odporu od čistoty látky a od vonkajších podmienok, napr. od teploty. Vodivosť polovodičov s rastúcou teplotou stúpa a podstatne závisí od prítomnosti cudzích prvkov (prímesí) v kryštálovej mriežke polovodiča.

Fyzikálne vlastnosti polovodičov využívajú pri svojej činnosti polovodičové obvodové súčiastky napr.: diódy, tranzistory, tyristory, integrované obvody.

Vlastný polovodič (čistý polovodič)

Atómy Ge, Si sú 4-mocné. Sú pravidelne usporiadané v kryštálovej mriežke. Každý atóm Ge, Si susedí so 4 ďalšími atómami. Dvojica susediacich atómov má vždy 2 spoločné elektróny = kovalentná väzba. Pri veľmi nízkych teplotách v takto vytvorenej kryštálovej mriežke nie sú voľné elektróny a kryštál čistého Ge, Si sa správa ako izolant.

Nevlastné polovodiče (prímesové)

Na výrobu polovodičových obvodových súčiastok sa používajú nevlastné (prímesové) polovodiče. V týchto polovodičoch sa časť atómov kryštálovej mriežky vlastného polovodiča nahrádza atómami prímesí. Ako prímes pre Ge, Si sa používajú:

• Päťmocné prvky – donory (napr. Arzén – As)

Donor – „darca voľných elektrónov“.

• Trojmocné prvky – akceptory (napr. Indium – In)

Akceptor – „príjemca voľných elektrónov“

1. Ge s prímesou 5-mocného prvku, As 5-mocný prvok, má 5 valenčných elektrónov, 1 je v kovalentnej väzbe prebytočný. Na každý atóm As bude zvyšovať 1 elektrón, kt. sa nezúčastní kovalentných väzieb. Prevládajúce nositele nábojov sú záporne nabité elektróny. Takýto nevlastný polovodič má elektrónovú vodivosť a nazývame ho polovodič N (negatívne nosiče).

1. Ge s prímesou 3-mocného prvku. In 3-mocný prvok má 3 valenčné elektróny, takže jedna z väzieb je neobsadená – nenasýtená väzba – diera, do ktorej môže prejsť iný voľný elektrón. Diery podobne ako elektróny sú nositeľmi el. náboja, ale kladného. Polovodič má dierovú vodivosť anazývame ho polovodič P (pozitívne nosiče).

1. W_D– donorová energetická hladina, kt. je obsadená elektrónom a nachádza sa pod dolnou hranicou vodivostného pásma. Prijatím malého množstva energie (tepelnej) sa môže tento elektrón uvoľniť do vodivostného pásma.

1. W_A – akceptorová energetická hladina, kt. je neobsadená a nachádza sa nad hornou hranicou valenčného pásma. Dodaním neveľkého množstva energie môže elektrón z valenčného pásma obsadiť akceptorovú hladinu čím vo valenčnom pásme vzniká voľná diera.

Polovodičový priechod PN

Spojité rozhranie medzi oblasťou s vodivosťou P a N sa nazýva priechod PN. Vyrába sa tak, že na základnú doštičku typu N sa nanesie kúsok 3-mocného prvku (In). Zahrievaním sa roztopí a na tomto mieste sa vytvorí oblasť P (zliatinová metóda).

Polovodičový priechod má usmerňovací účinok, kt. nazývame diódový jav (polovodičová dióda). Podľa polarity pripojeného napätia môže byť PN priechod zapojený v 2. Smeroch:

• Nepriepustný smer (záverný, spätný)
• Priepustný smer (priamy)

1. Zapojenie PN priechodu – pomery bez vonkajšieho vplyvu

V dôsledku nerovnováhy medzi oblasťami budú elektróny z oblastí prúdiť do oblasti P a opačne. Medzi oblasťami pôsobia príťažlivé elektrostatické sily až dovtedy, kým sa nevytvorí rovnovážny stav. Medzi oblasťami vzniká el. pole a potenciálová bariéra, kt. svojím pôsobením zabráni ďalšiemu premiestňovaniu elektrónov a napätie medzi oblasťami sa ustáli.

W – hradlová vrstva – málo vodivá oblasť ochudobnená o nosiče.

1. Zapojenie priechodu v spätnom smere

Potenciálovú bariéru môžeme zväčšiť, ak k PN priechodu pripojíme vonkajší zdroj napätia. Na oblasť P pripojíme záporný pól zdroja. Na oblasť N pripojíme kladný pól zdroja. Nastane pohyb nosičov nábojov. Elektróny v polovodiči N a diery v polovodiči P sú od PN priechodu odťahované. Hradlová vrstva sa rozšíri. Potenciálová bariéra sa zvýši, odpor priechodu rastie. PN priechodom nepotečie prúd. Hovoríme, že PN priechod je polarizovaný v nepriepustnom smere.

1. Zapojenie priechodu PN v priamom smere

Vymeníme polaritu napájacieho zdroja. Na oblasť N pripojíme záporný pól, na P kladný pól zdroja. Nastane pohyb nosičov nábojov – elektróny a diery sú tlačené na PN priechod. Hradlová vrstva sa zúži, potenciálová bariéra sa zníži, odpor priechodu klesá a priechodom tečie prúd. Vtedy je priechod zapojený v priamom smere.

VA charakteristika PN priechodu

1. Priepustný smer u_F = f (i_F) – PN priechodom tečie prúd.
2. Nepriepustný smer u_R = f (i_R) – pri zvyšovaní napätia na PN priechode nastáva pri napätí u_R = U_BRlavínový prieraz – je to napätie, kt. sa môže periodicky opakovať a nepoškodí PN priechod. Poškodenie PN priechodu nastáva až pri tepelnom prieraze a to veľkým prúdovým zaťažením, vtedy sa priechod zohrieva.

Polovodičové diódy

Sú najjednoduchšie polovodičové obvodové súčiastky, kt. využívajú pri svojej činnosti usmerňovacie účinky PN priechodu. Najjednoduchšie sú preto, že majú len 2 vrstvy, teda 1 PN priechod.

Druhy polovodičových diód:

1. Podľa funkčného určenia:

• Usmerňovacie diódy (usmerňovače)
• Zenerové diódy – stabilizačné diódy (stabilizátory)
• Kapacitné diódy – varikapy (rezonančné obvody)
• Tunelové diódy (zosilňovače, oscilátory)

1. Podľa schopnosti zniesť rôznu záťaž alebo podľa frekvencie striedavého prúdu:

• Nízkofrekvenčné
• Vysokofrekvenčné

Parametre polovodičovej diódy:

• Prahové napätie U_T0 – el. napätie, pri ktorom dôjde k zrušeniu hradlovej vrstvy a diódou začína pretekať prúd.
• Prierazové napätie u_R = U_BR – el. napätie, kt. pôsobí pri zapojení v závernom smere, zničenie PN priechodu.
• VA charakteristika – závislosť prúdu pretekajúceho diódou od napätia medzi vývodmi.
• Maximálne zaťaženie – najväčší možný výkon el. prúdu, kt. nepoškodí diódu.
• Maximálny prúd – najväčší prúd, kt. môže prechádzať diódou.
• Tepelnú rozmedzie – rozmedzie teplôt, pri ktorých môže dióda pracovať.

1.Usmerňovacie diódy

Môžu byť Si, Ge. Sú to elektronické súčiastky určené na premenu striedavého prúdu na jednosmerný.

Prevádzkové stavy diódy:

1. Na A (anódu) pripojíme záporný pól a na K (katóda) kladný pól zdroja, žiarovka sa nerozsvieti, dióda je polarizovaná záverne.
2. Na A pripojíme kladný pól, na K záporný pól zdroja, žiarovka sa rozsvieti, dióda je polarizovaná

Priepustný smer – priepustný prúd je pri nízkom napätí nepatrný a až od určitej hodnoty sa značne zväčšuje. VA charakteristika je v priepustnom smere určená prahovým napätím U_T0, pri ktorom diódou začína prakticky pretekať prúd. Po prekročení prahového napätia prúd a napätie na dióde stúpajú lineárne. V priepustnom smere je charakteristika ešte určená dynamickým odporom.

r_d =

Záverný smer – záverný prúd je nepatrný a zväčšuje sa až pri napätí U_BR – prierazné napätie. V závernom smere je dióda ohraničená napätím U_RRM – maximálne prípustné opakovateľné napätie.

1. Zenerové diódy

Zenerová dióda je dióda, ktorej VA charakteristika vykazuje prudký zlom v spätnom smere pri určitom napätí u_r = U_z. Je to napätie, pri ktorom nastáva Zenerov prieraz a nazývame ho Zenerové napätie. Prudký zlom VA charakteristiky v spätnom smere sa dosahuje pri veľkých intenzitách el. poľa a vysokých koncentráciách prímesí. Po prekročení U_Z sa záverný prúd veľmi rýchlo zväčšuje, ale napätie privedené na diódu cez ochranný rezistor sa mení veľmi málo. Tento jav sa využíva na stabilizáciu napätia a diódu s týmito vlastnosťami nazývame stabilizačná dióda.Využitie: jednoduchý stabilizátor napätia – stabilizácia jednosmerného napätia zenerovou diódou.

1. Kapacitné diódy

Správanie tejto diódy opisuje VoltFaradová charakteristika C_d = f (u_R) je to závislosť kapacity od napätia. Zvyšovaním napätia sa kapacita zmenšuje.

Využitie: rezonančné obvody – namiesto otočných kondenzátorov.