• Podstawowym materiałem, z którego wytwarza się obecnie
elementy półprzewodnikowe, jest krzem Si.

• W początkach rozwoju elementów półprzewodnikowych taką
rolę odgrywał german Ge.

• Obok krzemu i germanu istnieją też półprzewodniki złożone,
np. arsenek galu GaAs lub antymonek indu InSb.

• Szerokość pasma zabronionego W wynosi: 1,12 eV dla krzemu,
0,67 eV dla germanu i 1,43 eV dla arsenku galu

• Półprzewodniki samoistne.
• Półprzewodniki domieszkowane.

Półprzewodniki

samoistne

(typu

I).

Takimi

półprzewodnikami są monokryształy np. krzemu, które w
temperaturze

bezwzględnego zera są izolatorami, a ich

pasmo walencyjne jest

całkowicie wypełnione, a pasmo

przewodnictwa

całkowicie wolne, zaś po otrzymaniu pewnej

ilości energii np. energii cieplnej może nastąpić w nich
lokalne zerwanie pewnej liczby

wiązań kowalentnych i

przejście niektórych elektronów z pasma walencyjnego do
pasma przewodnictwa.

Swobodne

elektrony

stają się nośnikami ładunku

elektrycznego.

Pozostałe po elektronach wolne miejsca w

wiązaniach,

równo­ważne

elementarnym

ładunkom

dodatnim, nazywa

się dziurami. Zjawisko to nazywa się

generacją par: elektron — dziura.

Miejsce dziury w

wiązaniu może zająć elektron z wiązania sąsiedniego atomu,

tworząc nową dziurę w innym miejscu, w związku z czym można też mówić o
przemieszczaniu

się dziur.

Równocześnie z procesem generacji zachodzi zjawisko
odwrotne, zwane

rekombinacją, a polegające na

wzajemnej neutralizacji

ładunków dziury i elektronu

powracającego do pasma walencyjnego.

W warunkach ustalonych liczba generowanych par
elektron-dziura jest

równa liczbie par podlegających

rekombinacji.

Półprzewodnik domieszkowany typu N stanowi
monokryształ

pierwiastka

podstawowego

(czterowartościowego krzemu lub germanu) z domieszką
pierwiastka o

pięciu elektronach walencyjnych, zwanego

donorem (np. arsenu, antymonu lub fosforu).

Atomy donora

zajmują węzłowe miejsca w sieci krystalicznej,

tworząc swymi czterema elektronami wiązania kowalentne z
atomami pierwiastka podstawowego.

Piąty nadmiarowy

elektron jest

słabo związany z atomami pierwiastka

podstawowego.

Domieszka zmniejsza pasmo zabronione W i wynosi ono
odpowiednio 0,049 eV dla domieszki arsenu i 0,044 eV dla
domieszki fosforu.
W

związku z tym w temperaturze 100 K praktycznie wszystkie

atomy donora

są zjonizowane i ich elektrony nadmiarowe

przechodzą do pasma przewodnictwa.

W normalnych warunkach
półprzewodnik
domieszkowany typu N ma
więcej

swobodnych

elektronów

niż

dziur

(powstających np. wskutek
generacji

termicznej

par

dziura-elektron) i elektrony

są

większościowymi nośnikami
prądu.

Półprzewodnik

domieszkowany

typu

P

stanowi

monokryształ pierwiastka podstawowego z domieszką
pierwiastka o trzech elektronach walencyjnych, zwanego
akceptorem (np. boru, galu, glinu lub indu).

Wskutek tego w otoczeniu atomu domieszki jeden z
elektronów

czterowartościowego

pierwiastka

podstawowego jest

słabo związany z pozostałymi atomami i

wystarczy dostarczenie niewielkiej

ilości energii (np. przez

podgrzanie do ok. 100 K), aby

opuścił on pasmo

walencyjne,

pozostawiając po sobie swobodną dziurę.

Elektron przechwytywany jest przez lokalny poziom
energetyczny domieszki,

znajdujący się w pobliżu pasma

walencyjnego: W wynosi 0,067 eV dla domieszki glinu i
0,045 eV dla domieszki boru. W

półprzewodniku typu P

dziury, czyli

ładunki dodatnie, są większościowymi nośnikami

prądu.

Właściwości elektryczne półprzewodników domieszkowanych
są determinowane przez domieszki w zakresie temperatur od
100 do 400 K.

Zależna

od

temperatury

koncentracja

nośników

samoistnych (tzn. par dziura-elektron) w temperaturze
300 K wynosi

przykładowo dla krzemu 15 • 10

10

par w 1

cm

3

, to koncentracja

nośników nadmiarowych (tzn.

elektronów w półprzewodniku typu N lub dziur w
półprzewodniku typu P) jest o kilka rzędów większa i
zależnie od zawartości domieszek wynosi od 10

14

do 10

18

nośników nadmiarowych w 1 cm

3

.

Złącza

Elementy

układów elektronicznych budowane są jako

złączowe i bezzłączowe.

Złączem nazywa się wąski obszar (o szerokości rzędu 10

-7

m), w

którym zachodzi zmiana koncentracji nośników

swobodnych

o

kilka

rzędów

wielkości. Praktycznie

najważniejsze jest złącze PN, w którym zmianie koncentracji
towarzyszy

także zmiana rodzaju domieszki (akceptor-donor).

• Rezystancjami

niesterowanymi

są

rezystory

półprzewodnikowe, warystory i termistory.
• Rezystory półprzewodnikowe wykonuje się zwykle jako
ścieżki z półprzewodnika N+ na podłożu N lub P+ na
podłożu P.
• Warystory są rezystorami nieliniowymi o rezystancji
zależnej od przyłożonego napięcia.
• Termistory są rezystorami nieliniowymi o rezystancji
zależnej od temperatury.
• Rezystancjami

sterowanymi

są

piezorezystor,

fotorezystor i magnetorezystor (gaussotron).
• Hallotron jest elementem, w którym generowane jest
napięcie Halla pod wpływem indukcji magnetycznej w
płytce hallotronu.
• Tranzystor unipolarny bezzłączowy z izolowaną
bramką jest rezystancją sterowaną natężeniem pola
elektrycznego

Złącze PN stanowi ważną część składową wszystkich
elementów złączowych.
Jest to

monokryształ półprzewodnika, który z jednej strony

zawiera

domieszkę donorową (obszar N), a z drugiej

domieszkę akceptora (obszar P), co schematycznie
przedstawiono na rysunku.

Stan

równowagi występuje

wtedy, gdy wypadkowy

prąd w

złączu jest równy zeru, tzn.
gdy liczba przemieszczanych
nośników

mniejszościowych

jest

równa

liczbie

dyfundujących

nośników

większościowych.

Napięcia

bariery

potencjału

złącza nie daje się zmierzyć
bezpośrednio

(np.

woltomierzem),

gdyż

na

połączeniach

metalowych

elektrod

z

półprzewodnikiem

powstają

kontaktowe

siły

elektromotoryczne, na skutek
czego

różnica

potencjałów

między elektrodami jest równa
zeru

•Różnicę potencjałów obszarów typu N oraz typu P nazywa
się napięciem bariery potencjału Ubp. Napięcie to zależy od
rodzaju

materiału monokryształu, koncentracji domieszek i

temperatury. Dla

złącz germanowych wynosi ono ok. 0,5 V, a

dla krzemowych ok. 1 V,

malejąc przy wzroście temperatury

o ok. 2,5 mV na 1 K.

Charakterystyka

napięciowo-prądowa złącza PN: U

F

,

I

F

— napięcie i prąd przewodzenia, U

R

,I

R

— napięcie i

prąd przy polaryzacji zaporowej

Diody

półprzewodnikowe dzieli się na:

•diody prostownicze - przeznaczone do prostowania prądu
zmiennego,

•sygnałowe - przeznaczone do pracy w układach przetwarzania
sygnałów elektrycznych,

• specjalne.

Diody prostownicze

pracują przy zmieniającej się

cyklicznie polaryzacji w kierunku przewodzenia i polaryzacji
w kierunku zaporowym.
Z praktycznego punktu widzenia

głównymi parametrami

diody

prostowniczej,

w

określonych znamionowych

warunkach cieplnych,

będzie dopuszczalna wartość średnia

prądu wyprostowanego i dopuszczalne napięcie wsteczne
pracy.

Przykładowo diodę o prądzie dopuszczalnym 10 A i napięciu 100 V

1.

Dopuszczalną temperaturą złącz germanowych jest
około 360 K, a złącz krzemowych — około 430 K.

2. Diody prostownicze o

dużej mocy są zwykle

zaopatrzone w radiatory,

chłodzone z wymuszonym

obiegiem powietrza.

3. Diody prostownicze warstwowe

używane są do

prostowania

prądu

o

częstotliwości

nie

przekraczającej na ogół 400 Hz.

Diody

sygnałowe - diody detekcyjne wykonywane ze

złączem PN typu ostrzowego i charakteryzujące się w
związku z tym niewielką pojemnością, a stosowane w
układach detekcji sygnałów wysokich częstotliwości,

diody impulsowe

charakteryzujące się krótkim czasem

przejścia ze stanu przewodzenia do zaporowego, a
stosowane w

układach cyfrowych.

Diody specjalne: Zenera

(stabilizacyjną), pojemnościową,

tunelową, fotodiodę i diodę luminescencyjną.

Diodą Zenera jest specjalna dioda krzemowa, w której

pod

wpływem określonego napięcia wstecznego następuje

tzw. przebicie tunelowe (Zenera).

Następuje wtedy tunelowe

przejście elektronów z pasma walencyjnego, do pasma
przewodnictwa.

Napięcie wsteczne U

z

, przy

którym następuje gwałtowne

zakrzywienie charakterystyki

napięciowo-prądowej diody,

nazywa

się napięciem Zenera. Diody Zenera używane są do

stabilizacji

napięcia stałego.

Dioda tunelowa ma

charakterystykę napięciowo-

prądową wskazującą na występowanie przebicia
tunelowego

zarówno przy polaryzacji zaporowej, jak i

przy niewielkich

napięciach w kierunku przewodzenia.

Diody tunelowe wykorzystywane

są w układach

generacyjnych i

przełączających.

Fotodiodę stanowi złącze PN, w którym wykorzystuje się
zjawisko generowania

mniejszościowych nośników prądu

pod

wpływem

energii

promieniowania

świetlnego.

Fotodioda pracuje przy polaryzacji zaporowej, a jej

prąd

wsteczny

zależy od padającego na złącze strumienia

świetlnego.

•Fotodiody wykorzystuje się jako przetworniki natężenia
oświetlenia na sygnał elektryczny

•jako elementy przetwarzające energię promieniowania
optycznego na

energię elektryczną, zwane fotoogniwami.

Działanie fotoogniwa uzasadnione jest tym, że jego
charakterystyka

napięciowo-prądowa przy U = 0 nie

przechodzi przez

początek układu współrzędnych. Po zwarciu

fotodiody

może w związku z tym płynąć prąd zwarcia, czyli

staje

się ona źródłem prądu. Zjawisko to bywa

wykorzystywane w ogniwach

słonecznych.

Energoelektronika jest

jedną z podstawowych gałęzi

elektroniki,

obejmującą

zagadnienia

układów

przekształtnikowych:

• układów

przeznaczonych

do

przekształcania

energii

elektrycznej

napięcia

przemiennego

na

stałe

(w

prostownikach),

• napięcia przemiennego na napięcie przemienne o innej

częstotliwości (w przemiennikach częstotliwości),

• napięcia stałego na przemienne (w falownikach),
• napięcia stałego na napięcie stałe o innej wartości (w

przekształtnikach prądu stałego).

Układy prostownicze stosuje się wtedy, gdy do zasilania

jakiegoś urządzenia potrzebny jest prąd stały, a mamy do
dyspozycji

źródło lub sieć prądu zmiennego.

Rozróżnia się prostowniki:

• niesterowane,
• sterowane.

Prostowniki niesterowane nie

umożliwiają nastawienia

wartości stałego napięcia lub prądu wyjściowego.

Prostownik niesterowany

składa się z jednego lub kilku

prostowniczych

zaworów elektrycznych (diod), przyłączonych

do

źródła

napięcia

przemiennego

(zazwyczaj

z

transformatorem).

Wartość skuteczna napięcia
wyprostowanego, dla

całego

okresu, obliczona z

zależności

Średnia wartość napięcia
wyprostowanego wynosi:

m

W

T

w

U

U

dt

u

T

U

2

2

0

2

2

2

5

,

0

1













2

0

2

2

32

,

0

1

T

m

wśś

U

dt

u

T

U

Składowa zmienna napięcia wyprostowanego, określana jako

∆

U

w

= u

w

- U

wśr

nazywa się tętnieniem, a jej wartość skuteczna wynosi:

2

2

wśś

W

W

U

U

U







Stopień wygładzenia napięcia wyprostowanego określa się za
pomocą współczynnika tętnień, równego stosunkowi
wartości skutecznej składowej zmiennej ∆U

w

do

składowej

stałej U

wsr

1

)

(

2









wśś

w

wśś

w

t

U

U

U

U

k

Jednofazowy jednokierunkowy

Jednofazowy pełnookresowy (tzw. układ Graetza)

Układ prostowniczy

trójfazowy
jednokierunkowy:

a) schemat,
b)

wykres czasowy napięć
i prądów

Trójfazowy jednokierunkowy

Trójfazowy mostkowy

Tylko

niektóre odbiorniki mogą pracować przy dość

znacznych

tętnieniach napięcia wyprostowanego; należą do

nich m.in. silniki

prądu stałego i ładowane akumulatory.

Inne

odbiorniki

nie

dopuszczają natomiast tętnień

przekraczających dopuszczalne wartości. Należą do nich np.
wszystkie

układy elektroniczne, układy pomiarowe i układy

automatyki.

Do

zmniejszenia

tętnień

napięcia

wyprostowanego stosuje

się filtry.

Do utrzymania w

przybliżeniu stałej wartości napięcia

wyjściowego prostownika i uniezależnienia jej od zmian
napięcia zasilającego prostownik lub zmian rezystancji
odbiornika

służą stabilizatory napięcia.

Filtry w

układach prostowniczych.

Do najprostszych

filtrów należą m.in. filtry indukcyjne i

pojemnościowe.

Cewka indukcyjna o

indukcyjności L stanowi dużą reaktancję

dla

składowej zmiennej prądu wyprostowanego, na skutek

czego

następuje zmniejszenie tej składowej, oraz zmniejszenie

maksymalnej

wartości prądu wyprostowanego. Występuje też

zjawisko

przepływu prądu przez czas dłuższy niż pół okresu,

spowodowane oddawaniem energii zmagazynowanej w cewce
w czasie narastania

prądu. Skuteczność filtru jest tym większa,

im

większa jest indukcyjność cewki. Filtry indukcyjne stosuje

się zwykle w układach dużej mocy (R

O

<<<



L).

Układ prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym.

W czasie przewodzenia diody w obwodzie

płynie prąd będący

sumą prądów odbiornika i kondensatora. W chwili t

1

dioda

przestaje

przewodzić i rozpoczyna się wyładowanie

kondensatora przez odbiornik R

o

. Proces ten trwa do chwili t

2

,

kiedy

następuje zrównanie napięcia na kondensatorze z

napięciem źródła. Dioda zaczyna wtedy ponownie przewodzić i
proces powtarza

się. Skuteczność działania filtru jest tym

większa, im większy iloczyn R

0

C. Filtry takie

najczęściej stosuje

się w układach małej mocy ( R

O

>1/(



C)