Látky, se kterými se setkáváme v přírodě, můžeme rozdělit na vodiče, polovodiče a izolanty. Vodiče jsou látky, které obsahují volné částice s nábojem a mohou vést elektrický proud. Izolanty volné částice s nábojem neobsahují a elektrický proud nevedou. Polovodiče jsou látky, které za určitých podmínek vedou elektrický proud.
měrného elektrického odporu
Vodiče: $ ρ ˂ 10^{-8} \, Ω \cdot m $
Polovodiče: $ ρ = 10^{-4} – 10^{8} \, Ω \cdot m $
V grafu je zakreslena závislost odporu kovů a polovodičů na teplotě.
Mezi polovodiče patří řada pevných látek – křemík, uhlík, germanium, selen, telur a další.
Rozlišujeme dva způsoby vedení elektrického proudu v polovodičích.
Vlastní polovodič je polovodič, který neobsahuje žádné příměsi. Typickým polovodičem je křemík.
Křemík obsahuje v obalu atomu 14 elektronů, z nichž 10 je pevně vázáno k jádru, a 4 nejvzdálenější od jádra jsou vázány do elektronových párů, které drží krystal pohromadě. Tyto 4 elektrony se nazývají valenční.
Za běžných podmínek křemík neobsahuje žádné volné částice s nábojem, chová se tedy jako izolant.
Valenční elektrony nejsou pevně poutány k jádru. Dodáme-li křemíku energii, mohou se některé elektrony z elektronových párů uvolnit a začnou se volně pohybovat po krystalu. Na jejich místě se utvoří tzv. díra. Na toto místo se však může uvolnit elektron ze sousedního atomu, vznikne však nová díra. Díry se chovají jako částice s kladným nábojem a přesouvají se po krystalu. Tento děj se nazývá generace páru elektron – díra.
Elektrický proud v polovodičích je zprostředkován usměrněným pohybem volných elektronů a volných děr.
s rostoucí teplotou se zvětšuje kmitavý pohyb částic, a elektrony, které jsou poutány nejslaběji, se uvolní z přitažlivosti jádra a stanou se z nich volné částice s nábojem Dopadem elektromagnetického záření dostatečné frekvence nastává vnitřní fotoefekt, fotony elektromagnetického záření předají svoji energii elektronům v polovodiči, které se uvolní z přitažlivosti jádra, stanou se z nich volné částice s nábojem a zvyšují vodivost látky
1. Zahřátím
2. Dopadem elektromagnetického záření
Pokud se elektron spojí s dírou, nastává děj, který se nazývá rekombinace.
Důležitější pro praxi je příměsová vodivost polovodičů. Příměsové polovodiče vytvoříme tak, že malé množství atomů křemíku nahradíme jiným atomem, který obsahuje 5 nebo 3 valenční elektrony. Podle toho, zda příměs má více nebo méně valenčních elektronů než křemík, rozlišujeme polovodiče typu N a polovodiče typu P.
Vznikne, jestliže malé množství atomů křemíku nahradíme atomy arsenu As. Arsen obsahuje 5 valenčních elektronů. Čtyři použije k vytvoření vazebných elektronových párů s atomy křemíku, pátý elektron však zůstane volný. Látka tak bude mít přebytek elektronů, které mohou vést elektrický proud.
Elektrická vodivost typu N je způsobena volnými elektrony v polovodiči, mluvíme o elektronové vodivosti.
Jestliže malé množství atomů křemíku nahradíme atomy india In, vznikne polovodič typu P. Indium obsahuje 3 valenční elektrony, které použije na vytvoření vazebných elektronových párů s atomy křemíku. V mřížce tak bude nedostatek elektronů a vytvoří se díry, které vedou elektrický proud.
Elektrická vodivost typu P je způsobena přítomností děr v polovodiči, mluvíme o děrové vodivosti.
V obou případech příměsové vodivosti dochází zároveň ke generaci páru elektron – díra.
Příměsové polovodiče mají větší vodivost než vlastní polovodiče. S rostoucí teplotou ale rozdíly zanikají, protože se více uplatňuje vznik párů elektron – díra a odpor polovodiče klesá.
Polovodiče mají široké využití v elektrotechnice. Vyrábí se z nich řada důležitých součástek.
Termistor je polovodičová součástka, jejíž odpor je závislý na teplotě. Termistory mají velký vnitřní odpor a používají se k měření teploty. Rozmezí teplotního použití termistorů je od -200 °C do + 300 °C.
Dioda je součástka, jejíž základní vlastností je, že vede proud jen jedním směrem. Proto se používá v usměrňovačích proudu (usměrňuje střídavý proud na stejnosměrný), v měřících přístrojích a v integrovaných obvodech.
Dioda se skládá z polovodiče typu P a polovodiče typu N, které jsou spojeny na mikroskopické úrovni, a tvoří P-N přechod. Dioda má dva vývody. Anoda je spojena s polovodičem typu P a katoda s polovodičem typu N. Na přechodu obou polovodičů je hradlová vrstva, která brání pronikání elektronů do oblasti polovodiče typu P, a děr do oblasti polovodiče typu N. Diodu můžeme připojit ke zdroji napětí dvojím způsobem:
Zapojíme-li polovodič typu P ke kladnému pólu zdroje a polovodič typu N k zápornému pólu zdroje, bude mít dioda téměř zanedbatelný odpor a diodou poteče elektrický proud. Minimální napětí, které je k průchodu proudu P-N přechodem potřeba, se nazývá prahové napětí. Vnější napětí v obvodu musí dosáhnout právě tuto hodnotu, aby se elektrony začaly dostávat přes P-N přechod do oblasti polovodiče typu P.
Zaměníme-li póly zdroje (polovodič typu P bude připojen k zápornému pólu zdroje a polovodič typu N ke kladnému pólu zdroje), vytvoří se na přechodu P-N hradlová vrstva a proud diodou nepoteče.
Polovodičová dioda je součástka, jejíž odpor závisí na polaritě připojeného napětí.
Existují různé typy diod:
Tranzistor je součástka se dvěma přechody PN. Může být typu NPN nebo PNP, podle toho, jaké typy polovodičů použijeme. Prostřední část se nazývá báze, krajní elektrody se nazývají emitor (ve schématu je označen šipkou) a kolektor.
Činnost tranzistoru je založena na tranzistorovém jevu:
Velmi malé napětí vzbuzuje v obvodu báze proud, který je příčinou vzniku velkého proudu v kolektorovém obvodu.
Právě pro tuto svou vlastnost se tranzistor používá v zesilovačích.
První tranzistor v krystalu germania vytvořili v roce 1948 W. Shockeley, W. Brattain a J. Bardeen. Dnes se k výrobě tranzistorů obvykle používá křemík.
Nejčastěji se v praxi používá zapojení se společným emitorem.
Z obrázku vidíme, že kolektor je připojen ke kladnému pólu zdroje a emitor k zápornému pólu. Přechod mezi kolektorem a bází je zapojen v nepropustném směru. Jestliže však obvod báze zapojíme v propustném směru (přechod mezi bází a emitorem je zapojen v propustném směru), začne bází procházet proud, a proud prochází i kolektorovým obvodem, jen je výrazně větší. Říkáme, že došlo k zesílení proudu.
Příčinou tranzistorového jevu je, že elektrony pronikají do báze typu P, ale protože je báze malá, nestačí množství děr k rekombinaci. Nadbytečné elektrony pronikají dál do kolektoru, kde způsobují velký elektrický proud.