Vodiče, polovodiče a izolanty

Polovodiče sú tuhé látky, ktoré majú medzi valenčným a vodivostným pásmom zakázané pásmo energie nie väščej šírky ako 2 eV. Polovodiče sa odlišujú od vodičov, ktoré majú vodivostné pásmo len čiastočne zaplnené a od nevodičov, ktoré sa vyznačujú len prázdnym a úplne zaplnenými pásmami energii.

 
 

Vlastný (intrisický) polovodič

Absorbovaním dodatočnej energie, napr. tepelnej, môžu elektróny v polovodičovom kryštále preskočiť z valenčného do vodivostného pásma a vznikne tak stav podobný ako vo vodiči. Koncentrácia voľných elektrónov vo vodivostnom pásme sa potom rovná koncentrácii voľných dier, t.j. koncentrácii neobsadených miest vo valenčnom pásme - vlastná (intrisická) vodivosť polovodiča..

 
 
 

Polovodič typu n a typu p

Rozličnými technologickými úpravami možno dosiahnuť, že v polovodiči prevažuje elektrónová vodivosť nad dierovou - takýto polovodič sa nazýva elektrónový polovodič typu n. V opačnom prípade sa jedná o dierový polovodič alebo polovodič typu p. Dopovací prvok (napr.5 mocný  P v Ge mriežke), ktorý je zdrojom valenčných elektónov sa nazýva donor. Dopovací prvok, ktorý na seba viaže valenčné elektrónu (napr. 3 mocný B v Ge mriežke) sa nazýva akceptor.

 
 
 

Diery ako majoritné nosiče náboja

V rovnovážnom stave vo vlastnom polovodiči je prírastok elektrónov vo vodivostnom pásme  kompenzovaný ich úbytkom pri ich zachytení vo väzbách s dierami - rekombinácia.  V dopovanom polovodiči prevažuje jeden typ vodivosti - majoritné nosiče náboja, napr. diery na obrázku hore.

 
 
 

 

Prechod p-n

Na rozhraní polovodiča s vodivosťou n a p vznikne p-n prechod. Difúziou voľných elektrónov z oblasti n a úbytkom dier z oblasti p dôjde k vytvoreniu barierového poľa (barierového potenciálu Ub), ktoré po čase zastaví tento difúzny tok a vytvorí rovnovážny stav . V tesnej blízkosti prechodu p-n sa vytvorí tzv. ochudobnená oblasť s podstatne menšou koncentráciou voľných nosičov náboja.

 
 
 

 

Kontaktný potenciál

Na rozhraní kovu a polovodiča v dôsledku rozdielnej hustoty voľných nosičov náboja a gradientu koncentrácie vznikne difúzia elektrónov cez prechod (Smer difúzie závisí od typu polovodiča). Na obrázku tečie prúd elektrónov z polovodiča typu p do kovu v dôsledku rozdielu výstupnej prace týchto dvoch materiálov. V dôsledku existencie tohto kontaktného potenciálu nie je možné merať  barierový potenciál p-n prechodu priamo pomocou pripojenia voltmetra.

 
 
 

 

Priepustný smer

Po pripojení napäjacieho zdroja napätia U sa vytvorí na ochudobnenej vrstve p-n prechou elektrické poľe E opačne polarizované voči vnútornému poľu Ed. Majoritné nosiče náboja z oboch strán p-n prechodu môžu potom po prekonaní barierového potencialu Ub prechádzať cez p-n prechod. Ak je v tomto elektrickom obvode ešte zaradený ochranný odpor R bude amplitúda prúdu I=(U-Ub)/R.

 
 
 

 

Nepriepustný smer

Po pripojení batérie U, ktorá vytvorí vonkajšie elektrické poľe E, zhodnej polarity ako je vnútorné pole Ed, budú majoritné nosiče náboja ešte viacej vytláčané od stredu p-n prechodu , šírka ochudobnenej oblasti sa zväčší, čím vzrastie aj jej odpor a cez prechod bude tiecť len nepatrný prúd minoritných nosičov náboja.

 
 
 

Dióda - náhradný obvod a hľadiska veľkej amplitúdy napätia

Nahradný obvod diódy pre veľký signál je založený na aproximácii skutočnej charakteristiky diódy lomenými úsečkami. V priepustnom smere aproximáciou exponenty pomocou napätia Ub(~0,2V pre Ge a ~0,6V pre Si) a priamky so sklonom 1/r=1/RDF. V nepriepustnom smere, až po napätie prierazu možno časť charakteristiky  aproximovať veľmi veľkým odporom RDR a teda zanedbateľným zvodovým prúdom.

 
 
 
 

Dióda - náhradný obvod a hľadiska malej amplitúdy napätia

Pre malé amplitúdy napätia a prúdu možno aproximovať vodivú časť charakteristiky diódy pomocou exponenty IF=I0exp(qU/kT). V tomto výraze pri teplote T=300K je tzv. teplotné napätie (q/kT)=40. Vodivá dióda pre malé zmeny signálu v okolí nastaveného pracovného bodu (určenom prúdom IF [mA])  sa chová ako "dynamický" odpor rDF=25/IF.

 
 
 
 

Využitie prierazného napätia diódy- Zenerova dióda

V špecialne konštruovaných diódach možno v závernom smere  pracovať aj pri vyšších napätiach ako je lavínové napätie prierazu prechodu p-n. Prudký vzrast  záverného prúdu v dôsledku lavínovej ionizácie pri prieraznom tzv Zenerovom napätí sa využíva pri stabilizácii napätia.

 
 
 
 

Usmerňovač

Na premenu striedavého napätia (s amplitúdou Up) na jednosmerné napätie slúži jednocestný alebo viaccestný (na obrázku dvojcestný mostíkový) usmerňovač. Vďaka použitiu filtračného kondenzátora C na výstupe usmerňovača so záťažou RL možno zmenšiť striedavú zložku - zvlnenie Uzv=Up/(2fRLC).

 

Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou

Vďaka zlomu charakteristiky Zenerovej diódy na výstupe napäťového stabilizátora sa prakticky nebude meniť napätie UZ=UL ani pri podstatne väčšich zmenách napájacieho napätia US, poprípade bude výstupné napätie UZ=UL prakticky nezávislé na zmene odporu záťaže.RL. Zväčšenie prúdu IL cez záťaž RL sa kompenzuje zmenšením prúdu IZ cez Zenerovu dióodu tak, že sa celkový odber zo zdroja IS nemení. Aby nedošlo k nedovolenému prehriatiu Zenerovej diódy (na ktorej je napätie UZ a tečie cez ňu prúd IZ ) nesmie dôjsť k prekročeniu maximálneho stratového výkonu Zenerovej diódy Pmax>UZIZ.

 

Obmedzovač - tvarovač obdĺžnikových impulzov

Na tvarovanie a obmedzovanie amplitúdy impulzov možno použiť sériový odporovo - diódový obvod.

 

Princíp diódového zdvojovača napätia

Zdvojovač (alebo pri viacnásobnom zdvojení - násobič) - špeciálny usmerňovací obvod, založený na sériovom zapojení diódy a kondenzátora, pomocou ktorého možno získať vyššie jednosmerné napätie než je amplitúda vstupného striedavého napätia.

Intenzimeter

Špeciálny diódový rekuperačný usmerňovač, ktorého výstupné napätie je úmerné početnosti vstupných impulzov. Použitie: na meranie intenzity (početnosti - výskytu impulzov so snímača), rýchlosti a pod..