Vlastní polovodiče aneb Je-li materiál polovodič, vede proud?

1. Snímka 1

VLASTNÍ POLOVODIČE
aneb
Je-li materiál polovodič, vede proud?
PaedDr. Jozef Beňuška
[email protected]

2. Snímka 2

Z hlediska vedení elektrického proudu rozdělujeme
látky na:
1. vodiče
2. izolanty
kovy (r=10-6 W.m),
bakelit, sklo
elektrolyty (r=10-2 W.m),
(r=109 W.m)
10-2 W.m
109 W.m
3. polovodiče (r=10-2 W.m až 109 W.m)
Si, Ge, C, Se, Te, PbS, hemoglobin, chlorofyl

3. Snímka 3

Závislost měrného elektrického odporu (rezistivity)
na teplotě
r
W.m
kov
t
o
C
V kovech se zvyšující se teplotou kmitající částice mřížky
víc překážejí pohybu elektronů.

4. Snímka 4

Závislost měrného elektrického odporu (rezistivity)
na teplotě
r
W.m
polovodič
kov
t
o
C
V polovodičích se zvyšující teplotou se zvětšuje hustota
volných elektronů.

5. Snímka 5

Termistor
-
+
I
t
A
Termistor je polovodičová součástka, jejíž odpor velmi
závisí na teplotě.

6. Snímka 6

Vodiče
- kovy, obsahují velké množství volných elektronů
uvolněných z valenčních sfér elektronových obalů.
Izolanty
- neobsahují téměř žádné volné elektrony, téměř všechny
elektrony jsou vázány k jádru.

7. Snímka 7

28
Atom křemíku 14
Si
Atom germania 64
32 Ge
Atomy Si a Ge mají ve valenční vrstvě 4 elektrony.
+
+
Atomy se snaží seskupovat do krystalové mřížky tak,
aby ve valenční vrstvě měly 8 elektronů.

8. Snímka 8

Krystalová mřížka křemíku
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Každý atom je vázán se 4 sousedními atomy pomocí
4 vlastních valenčních elektronů a 4 valenčních elektronů,
z nichž každý patří jednomu sousednímu atomu.

9. Snímka 9

Krystalová mřížka křemíku
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Všechny valenční elektrony se podílejí na vazbě, v krystalové mřížce nejsou volné elektrony - křemík je izolant.
Platí při nízkých teplotách a u chemicky čistého křemíku.

10. Snímka 10

Krystalová mřížka křemíku při vyšších teplotách
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Kmity atomů vyvolají porušení vazeb, některé valenční
elektrony se uvolní a vznikají volné elektrony.
Uvolněním elektronů z vazby se z křemíku stává vodič.

11. Snímka 11

Krystalová mřížka křemíku při vyšších teplotách
Si
+
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Uvolněním elektronů z vazby vznikne v mřížce prázdné
místo - díra. Díra je místo s kladným nábojem, který získá
z přebytku kladných nábojů atomového jádra.

12. Snímka 12

Krystalová mřížka křemíku při vyšších teplotách
Si
+
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Vznik (generace) párů volný elektron - díra

13. Snímka 13

Krystalová mřížka křemíku při vyšších teplotách
Si
+
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Jestliže některý z valenčních elektronů sousedních vazeb
přeskočí na místo porušené vazby, díra zanikne.
Zánik (rekombinace) párů volný elektron - díra

14. Snímka 14

Zdánlivý pohyb děr po krystalu polovodiče
Si
Si
+
+
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
+
+
Si
Si
Některý z valenčních elektronů neporušených sousedních
vazeb přeskočí na místo vazby porušené.
Současně se objeví díra na jiném místě.

15. Snímka 15

Počet volných elektronů v polovodičích můžeme
zvyšovat zahříváním.
Hustota volných elektronů a děr v čistém křemíku
při běžné teplotě
rd = re= 6,8.1016 m-3
Připojíme-li ke krystalu křemíku stejnosměrné napětí,
začne obvodem procházet proud.
Tato vodivost čistých polovodičů se nazývá
vlastní vodivost polovodičů.
Látky s touto vodivostí nazýváme vlastní polovodiče.

16. Snímka 16

Test
V polovodičích se zvyšující teplotou se:
a) zvětšuje hustota volných elektronů,
b) zmenšuje hustota volných elektronů,
c) nemění hustota volných elektronů,
d) nemění jejich měrný elektrický odpor.
1

17. Snímka 17

Test
Pod pojmem generace rozumíme:
a) vznik volných děr,
b) vznik volných elektronů,
c) vznik párů volný elektron – díra,
d) zánik párů volný elektron – díra.
2

18. Snímka 18

Test
Pod pojmem rekombinace rozumíme:
a) zánik volných děr,
b) zánik volných elektronů,
c) zánik párů volný elektron – díra,
d) vznik párů volný elektron – díra.
3