Nelineárne súčiastky elektronických obvodov

Vedenie prúdu v tuhých látkach:

Základnú predstavu o stavbe hmoty poskytuje Bohrov model atómu. Podľa toho modelu sa atóm skladá zo sústavy častíc, pričom stred atómu tvorí jadro a okolo neho sa pohybujú elektróny (é). Jadro sa skladá z kladných protónov a z elektricky neutrálnych neutrónov. Častice sú rozmiestnené vo veľmi malom priestore. Ak je atóm v priestore osamotený, dráhy jeho elektrónov (é) sú kruhové so stredom v strede jadra atómu.Kvantová mechanika dokazuje, že polomery dráh é pri ich pohybe okolo jadra nie sú ľubovoľné. Možné dráhy é sú združené do skupín, ktoré sa nazývajú sféry, pričom každá sféra sa skladá z veľkého počtu samostatných, navzájom oddelených dráh. Poloha elektrónu (é) na príslušnej dráhe je daná rovnováhou medzi príťažlivou silou jadra atómu a odstredivou silou, ktorá pôsobí na é v dôsledku jeho pohybu po kruhovej dráhe. Pretože medzi jadrom a é pôsobí príťažlivá sila, každej vzdialenosti elektrónu od jadra zodpovedá určitá potenciálová energia. V strede jadra atómu je potenciálová energia nulová. Smerom od jadra sa potenciálová energia zväčšuje. Preto platí, že čím sa é pohybuje na vzdialenejšej dráhe od jadra, tým má väčšiu potenciálovú energiu. Sféry blízko pri jadre sú pri väčšine prvkov zaplnené a ich é sú pevne pútané k jadru. Naopak, vonkajšiu sféru má väčšina prvkov neúplnú. Elektróny tejto sféry vytvárajú vzájomné väzby s é iných atómov. Preto sa táto sféra nazýva valenčná.

Všetky deje, ktoré súvisia s vedením prúdu v látkach, sa týkajú élektrónov práve v tejto valenčnej sfére.

Pásmový model látky:

Pásmová teória tuhých látok nám určuje vlastnosti polovodičov. Podľa nej je v polovodičoch vodivostné (1) a valenčné pásmo (3) oddelené zakázaným pásmom (2 - energetickou medzerou) so šírkou ∆W = 1eV .Ak atóm prijme zvonku určité množstvo energie dostane sa niektorý elektrón valenčnej sféry na dráhu vzdialenejšiu od jadra, t.j. na dráhu s väčšou potenciálovou energiou. Ak je energia prijatá atómom malá, v krátkom čase sa spätne vyžiari a elektrón opäť zaujme polohu na dráhe s minimálnou energiou. Ak je však energia prijatá atómom taká veľká, že elektrón prekoná určitú oblasť energií, kde naležia žiadne energetické hladiny, na ktorých by sa mohol elektrón udržať dlhší čas, hovoríme, že elektrón prekonal zakázané pásmo. Prekonaním zakázaného pásma sa elektrón dostal na dráhu veľmi vzdialenú od jadra. Jadro ho púta už len veľmi slabo, v krátkom čase sa uvoľní a pohybuje sa v priestor kryštálovej mriežky. Takto vzniká prenos náboja, čiže vedenie elektrického prúdu v látke. Energetické hladiny zodpovedajúce tejto situácií tvoria vodivostné pásmo.Z toho vyplýva, že schopnosť látky viesť elektrický prúd závisí od šírky jej zakázaného pásma. Čím širšie je energetické pásmo, látka je tým horším vodičom elektrického prúdu, lebo tým väčšiu energiu treba dodať elektrónom valenčnej sféry na to, aby prešli do vodivostného pásma a uvoľnili sa od jadra.Zakázané pásmo izolantov je široké asi 5 elektrónvolt (eV), polovodiče majú pásmo široké asi 1 eV a vodiče (kovy) nemajú zakázané pásmo.

Vlastná vodivosť polovodiča:

Základnými polovodičovými materiálmi sú prvky IV. skupiny Mendelejovovej periodickej sústavy prvkov: uhlík - C, kremík - Si, germánium - Ge, cín - Sn a olovo - Pb. Šírka zakázaného pásma klesá s narastajúcou atómovou hmotnosťou - C≈5eV, Si≈1,12eV, Ge≈0,72eV, Sn≈0,3eV, Pb≈0,1eV.Uvoľnenie elektrónu (é) z atómu polovodiča vznikne po prechode elektrónu (é) z valenčnej sféry polovodiča do vodivostnej, t.j. po prekonaní zakázaného pásma. Aby sa é mohol dostať cez zakázané pásmo, musí atóm prijať určité množstvo energie vo forme tepla alebo žiarenia.Valenčná sféra je veľmi pevná, pretože s okolitými atómami je doplnená na nasýtenú kovalentnú väzbu. Z toho vyplýva, že všetky valenčné é sa v týchto väzbách využijú a nezostáva už žiaden é na vedenie elektrického prúdu. Hovoríme, že pri takýchto podmienkach je nulová vodivosť polovodiča. a Ak z vonku dodáme do materiálu také množstvo energie, ktoré dovolí é prekonať zakázané pásmo, rozbijú sa niektoré väzby v kryštálovej mriežke a vedú elektrický prúd. Vo väzbe, z ktorej sa uvoľnil é, zostáva voľné miesto nazývané diera. viď obr. b Zaplnenie diery vo väzbe vznikne pritiahnutím niektorého voľného é, tzv. rekombinácia, alebo tak, že v dôsledku pohybu kryštálovej mriežky sa v určitom okamihu priblíži niektorý zo susedných atómov natoľko, že sa uvoľní é z niektorej jeho väzby. tento é zaplní voľné miesto vo väzbe prvého atómu, ale diera sa objaví vo väzbe iného atómu, z väzby ktorého sa odtrhol é. Opísaný druh vodivosti sa nazýva vlastná vodivosť polovodiča.

Nevlastná vodivosť polovodiča:

A) typ N
Ak v kryštálovej mriežke štvormocného prvku (Ge alebo Si), nahradíme niektoré atómy atómami päťmocného prvku (P - fosfor, As - astát, Sb - antimón), využijú sa iba 4 z 5 valenčných é prímesi. Piaty é sa nezúčastňuje väzby, je voľne viazaný k jadru. Na jeho uvoľnenie stačí energia rádovo stotiny eV, napr.:

B) typ P
Ak v kryštálovej mriežke čistého štvorm Atóm trojmocného prvku nazývame akceptor, pretože pri zaplnení nenasýtenej väzby prijme (akceptuje) do svojej valenčnej sféry jeden é. Priechod P-N: Predstavme si, že máme dve časti monokryštálu, ktoré sú od seba priestorovo oddelené.Časť P obsahuje okrem neutrálnych atómov základného prvku určitý počet viazaných záporných iónov a rovnakých počet voľne pohyblivých dier. V časti N sú pevne viazanými nábojmi kladné ióny a pohyblivými nábojmi elektróny. Ak by sme navzájom spojili obidve časti monokryštálu tak dokonale, aby kryštálová mriežka jednej časti nadväzovala na kryštálovú mriežku druhej časti. Tak zistíme, že hneď po spojení obidvoch častí začína pôsobiť difúzia, t.j. snaha voľných nosičov náboja rovnomerne sa rozptýliť v celom objeme monokryštálu a miesto, kde sa mení vodivosť P na N, sa nazýva priechod PN. Ak niektorý é prejde z časti N do P, alebo diera z časti P do N, poruší sa rovnováha elektrických nábojov obidvoch pôvodne elektricky neutrálnych častí. Medzi časťou P a N sa vytvára rozdiel potenciálov, ktorý nazývame difúzne napätie, označované ako UD. Difúzne napätie pre Ge je 0,2 V, pre Si 0,56 V. Čím viac nosičov prejde cez priechod, tým väčšie ja difúzne napätie. Súčasne so vznikom rozdielu potenciálov sa v okolí priechodu vytvára elektrostatické pole pevných iónov. Pre majoritné nosiče náboja vytvára difúzne napätie prekážku, ktorá sa nazýva potenciálová bariéra - priehrada, cez ktorú nemôžu nosiče náboja prenikať z jednej časti do druhej. Elektrostatické pole pevných pevných kladných iónov časti N odpudzuje od miesta priechodu voľné diery, ktoré sa pohy

Čo sa stane ak pripojíme PN priechod na vonkajšie napätie?

Ak na takýto PN priechod dáme vývody, na ktoré pripojíme jednosmerné napätie s rovnakou polaritou akú má difúzne napätie (časť P na mínus a časť N na plus), elektrostatické pole, ktoré vznikne vplyvom pripojeného napätia, bude mať súhlasný zmysel ako elektrostatické pole pevných iónov, ktoré pôsobí v okolí priechodu. Tzn. potenciálová bariéra medzi časťou P a N sa zväčší a vyprázdnená oblasť sa rozšíri, pretože obidve polia sa budú navzájom podporovať. Priechod je pre väčšinové nosiče náboja uzavretý, hovoríme, že je polarizovaný v spätnom smere - závernom. Cez priechod aj vonkajší obvod prechádza len prúd menšinových nosičov náboja IR , lebo prúd väčšinových nosičov náboja zanikol, môžeme povedať, že prúd IR je nasýtený. Ak zmeníme polaritu pripojeného napätia (na časť P pripojíme plus a na časť N pripojíme mínus), zodpovedajúce elektrostatické pole bude pôsobiť proti elektrostatickému poľu pevných iónov. Potenciálová bariéra sa zruší a vyprázdnená oblasť zanikne. Priechod je pre väčšinové nosiče otvorený, hovoríme, že je polarizovaný v priamom smere - priepustnom. Obvodom prechádza prúd IF, ktorý pri zväčšovaní vonkajšieho napätia prudko narastá, pretože v kryštálovej mriežke vzniká veľké množstvo väčšinových nosičov, ktoré vedú prúd. Priechod PN má usmerňovací účinok (jednosmernú vodivosť). Ak pripojíme na časť P kladné napätie proti časti N, je odpor priechodu veľmi malý. Pri opačnej polarite má priechod veľmi veľký odpor.