ELEMENTY FIZYKI CIAA
A STAA
EGO
PODSTAWOWE POJ
CIA KRYSTALOGRAFII
1. Kryształy i ciała bezpostaciowe.
Wszystkie ciała stałe mo\
na podzielić na ciała krystaliczne i ciała bezpostaciowe,
zwane równie\
amorficznymi. W kryształach, atomy uło\
one są w sposób regularny
tworząc szereg powierzchni i krawędzi. Atomy kryształów tworzą powtarzający się
wzór zwany komórką elementarną. Cechą charakterystyczną kryształów jest ściśle
określona temperatura topnienia. Ciała bezpostaciowe, swoją strukturą przypominają
ciecz. Cząsteczki w tych ciałach wykazują pewne uporządkowanie, ale tylko w
bardzo bliskim sąsiedztwie. Proces przechodzenia ciała bezpostaciowego ze stanu
stałego w ciecz zachodzi w pewnym przedziale temperatur. Ciała bezpostaciowe
wykazują równie\
brak zale\
ności własności od kierunku, czyli są to ciała
izotropowe.
2. Monokryształy i ciała polikrystaliczne.
Jeśli proces krystalizacji przebiega powoli i istnieje jedno centrum krystalizacji, to do
jednej komórki elementarnej są dobudowywane następne, przez co powstaje sieć
krystaliczna o tych samych elementach symetrii co ka\
da komórka elementarna.
Takie rozległe struktury powstają rzadko i nazywamy je monokryształami.
Charakterystyczną własnością monokryształu jest anizotropia. Ró\
ne sÄ… jego
własności fizyczne w ró\
nych kierunkach. Od kierunku zale\
Ä… np. sprÄ™\
ystość,
przewodnictwo cieplne, opór elektryczny, współczynnik załamania światła, prędkość
rozchodzenia siÄ™ dz
więku itp. Je\
eli proces krystalizacji, jaki zachodzi podczas
stygnięcia cieczy, lub podczas odparowywania roztworu ciała stałego zachodzi
gwałtownie, to tworzy się wiele centrów krystalizacji. Poszczególne mikroskopijne
kryształki łączą się ze sobą chaotycznie, w wyniku czego powstaje tzw. ciało
polikrystaliczne. Takimi ciałami są np. metale. Ciała polikrystaliczne są ciałami
izotropowymi.
3. Elementy symetrii kryształu.
Jeśli na prostej przechodzącej przez pewien punkt kryształu, w jednakowych
odległościach od tego punktu znajdują się jednakowe elementy struktury kryształu
(jony, atomy lub cząsteczki), to taki punkt nazywamy środkiem symetrii kryształu.
Jeśli obracając kryształ wokół pewnej prostej, podczas jednego obrotu otrzymujemy
n-krotne powtórzenie się układu przestrzennego elementów kryształu, to taką prostą
nazywamy n-krotną osią symetrii tego kryształu.
Płaszczyznę, która zapewnia lustrzane odbicie elementów struktury kryształu
nazywamy płaszczyzną symetrii kryształu.
28
4. Komórka elementarna.
Najprostszą ze znanych struktur krystalicznych ma NaCl. Sól kuchenna zawiera
dwa rodzaje atomów tj. atomy Na i Cl. Jony tych atomów zajmują miejsca w
naro\
ach sześcianu o krawędzi rzędu 10-10m.
Na+
Cl-
Na+ Cl-
PODSTAWOWE TYPY WI
ZAC
SIECI KRYSTALICZNEJ
Siły wią\
ące poszczególne jony, atomy lub cząsteczki w sieć krystaliczną wynikają
głównie z oddziaływań elektrostatycznych. Elementy struktury sieci pozostają w
takich pozycjach, w których układ ma najmniejszą energię potencjalną. Stan taki
powstaje wtedy, gdy siły działające na ka\
dy element sieci równowa\
Ä… siÄ™.
1. WiÄ…zania jonowe.
Sieć krystaliczna jest w tym przypadku utworzona przez jony ró\
nych znaków. Tego
typu wiązania występują w solach, kwasach i zasadach. Kryształy jonowe są twarde i
mają wysoką temperaturę topnienia. Są one złymi przewodnikami prądu, bowiem w
sieci krystalicznej brak jest elektronów swobodnych. Taką właśnie sieć tworzy NaCl.
2. WiÄ…zania atomowe (kowalencyjne).
Takie wiązania tworzą odpowiednio gęsto uło\
one atomy. Pomiędzy jądrami
atomowymi działają siły odpychania. Odpychają się równie\
powłoki elektronowe
poszczególnych atomów. Siły przyciągania istnieją między jądrami atomowymi
jednych atomów i powłokami elektronowymi innych atomów. Tego typu wiązania
tworzą takie atomy, dla których suma elektronów walencyjnych jednego atomu i
atomów pozostających w najbli\
szym sąsiedztwie wynosi 2 lub 8. Kryształy
atomowe są zazwyczaj twarde i mają wysoką temperaturę topnienia. Takie kryształy
tworzÄ… m.in. diament, german i krzem.
29
3. WiÄ…zania metaliczne.
Takie wiązania tworzą atomy, których stan równowagi powstaje przy takim
zbli\
eniu, \
e powłoki elektronowe zachodzą na siebie. Sieć krystaliczną tworzą
zatem dodatnie jony metalu. Elektrony walencyjne mogą swobodnie przemieszczać
siÄ™ wewnÄ…trz sieci krystalicznej. Elektrony swobodne tworzÄ… rodzaj gazu
wypełniającego sieć krystaliczną. Kryształy metaliczne są dobrymi przewodnikami
prÄ…du elektrycznego.
DRGANIA SIECI KRYSTALICZNEJ
Atomy tworzące sieć krystaliczną wykonują nieustanne ruchy drgające. Są to tzw.
ruchy termiczne. Siły wią\
ące poszczególne atomy sprawiają, \
e pobudzenie do
drgań jednego atomu powoduje wywołanie drgań atomów sąsiednich. W ten sposób
w kryształach powstają fale. Po dotarciu do brzegu kryształu fale takie ulegają
odbiciu. W wyniku nakładania się fal tworzą się fale stojące. Węzły fal stojących
powstają na powierzchniach granicznych kryształu. Rozmiary kryształu decydują o
liczbie mo\
liwych fal stojących. Długość najkrótszej fali stojącej  = 2a, gdzie
 = 2
 = 2
 = 2
a - najmniejsza odległość identycznych jonów lub atomów (stała sieci).
Poszczególne atomy sieci krystalicznej uczestniczą jednocześnie w wielu ruchach
falowych, stÄ…d ich drgania sÄ… pozornie chaotyczne.
ROZSZERZALNOŚĆ TERMICZNA CIAA
STAA
YCH
Z ruchem drgającym atomów jest związana energia kinetyczna. Wartość energii
ruchu harmonicznego jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy drgań. Zale\
ność
energii ruchu drgającego od maksymalnego wychylenia od poło\
enia równowagi
przedstawia poni\
szy wykres.
E
R0
R
Atomy tworzące sieć krystaliczną jednak oddziaływują na siebie wzajemnie co
powoduje, \
e w miarę wzrostu amplitudy drgań zachodzi przemieszczanie się
centrum drgań jednego atomu w stosunku do drugiego atomu. Przyjmując, \
e
odległość między nieruchomymi atomami wynosi R0, to w miarę wzrostu
temperatury ma miejsce wzajemne oddalanie się atomów.
30
Zamieszczony ni\
ej wykres przedstawia przemieszczanie się centrum drgań. Przy
pewnej energii ruchu drgajÄ…cego ma miejsce destrukcja sieci krystalicznej. Atom
E
R0
R
przestaje być związany z atomem sąsiednim. Ciało stałe zaczyna się topić. Zanim
rozpocznie się proces topnienia, obserwuje się proces zwiększania rozmiarów (wzrost
objętości) ciała stałego. Przy zmianie stanu skupienia zmieniają się z reguły średnie
odległości między atomami. Proces ten odbywa się skokowo. Ruch drgający atomów
ciała stałego przekształca się w ruch postępowy. Rosnąca wraz z temperaturą energia
ruchu postępowego staje się przyczyną dalszej rozszerzalności powstałej cieczy.
WA
ASNOÅšCI ELEKTRYCZNE CIAA
STAA
YCH
Ze względu na własność przewodzenia prądu elektrycznego, ciała stałe mo\
na
podzielić na przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Nale\
y zaznaczyć, \
e
wszystkie ciała przewodzą prąd elektryczny, ale ich opór elektryczny mo\
e znacznie
się ró\
nić. Z grubsza biorąc, opór właściwy półprzewodników zawiera się w
granicach od 10-6 do 106&!Å"
&!Å"
&!Å"m.
&!Å"
MateriaÅ‚y o oporze mniejszym od 10-6&!Å" nazywamy przewodnikami. Izolatory
&!Å"
&!Å"m
&!Å"
majÄ… opór wiÄ™kszy od 10-6&!Å"
&!Å"
&!Å"m.
&!Å"
Do najlepszych przewodników zaliczamy srebro i miedz
(Á =1,6Å" &!Å"m i
Á Å"10-8 &!Å"
Á Å" &!Å"
Á Å" &!Å"
1,8Å" &!Å"m). Opór wÅ‚aÅ›ciwy najlepszych izolatorów siÄ™ga 1019&!Å"
Å"10-8&!Å" &!Å"m. Nale\
Ä… do nich:
Å" &!Å" &!Å"
Å" &!Å" &!Å"
marmur, bursztyn, parafina, ebonit, porcelana i inne. Opór elektryczny izolatorów i
półprzewodników maleje ze wzrostem temperatury.
MODEL PASMOWY CIAA
A STAA
EGO
Warunki kwantowe określają jednoznacznie energię, jaką mo\
e mieć elektron w polu
sił jądra atomowego. Dla pojedynczego atomu istnieją wyraz
ne poziomy energii
dozwolonej odpowiadające kolejnym powłokom elektronowym. Atomy ciała stałego
znajdujÄ… siÄ™ tak blisko siebie, \
e elektrony jednego atomu doznają równie\

oddziaływania ze strony sąsiednich jąder atomowych. Ten stan rzeczy powoduje, \
e
energia elektronu jest zawarta w pewnych pasmach, tym szerszych im elektron jest
bardziej oddalony od jÄ…dra macierzystego.
31
E
E
0 0
1
O
- Rhc O
-
-
-
16
1
N
N
- Rhc
-
-
-
25
1
M
M
- Rhc
-
-
-
9
1
- Rhc
-
-
-
L
L
4
Poziomy energii pojedynczego atomu Pasma energii atomu ciała stałego
Dla przewodnictwa elektrycznego szczególnie wa\
ne są: największa energia, którą
majÄ… elektrony zwiÄ…zane z atomem i najmniejsza energia, jakÄ… majÄ… elektrony
swobodne. Wartości tych energii określają górny brzeg pasma podstawowego i dolną
krawędz
pasma przewodnictwa. Te dwa poziomy energii przedziela pasmo energii
wzbronionych. Szerokość pasma energii wzbronionych dla najlepszych izolatorów
wynosi ok. 6 eV, a dla półprzewodników ma wartość 0,7 eV (german), 1,1 eV
(krzem) i nie przekracza 2 eV. Dla przewodników, przerwa energii wzbronionych
nie istnieje.
W idealnym izolatorze wszystkie elektrony sÄ… zwiÄ…zane ze swoimi atomami, a zatem
pasmo przewodnictwa jest zupełnie puste. Aby izolator zaczął przewodzić, elektrony
muszą uzyskać znaczną energię.
E
E
pasmo przewodnictwa
1 eV
przerwa energii
4 eV
wzbronionych
pasmo podstawowe
półprzewodnik
izolator
PÓA
PRZEWODNIKI SAMOISTNE
Jeśli półprzewodnik ma temperaturę bliską temperaturze zera bezwzględnego, to w
jego sieci krystalicznej praktycznie nie ma elektronów swobodnych. Przy
podwy\
szaniu temperatury, potęgujący się ruch termiczny prowadzi do uwalniania
elektronów walencyjnych, szczególnie słabo związanych ze swoimi atomami. Wraz z
pojawianiem się elektronów swobodnych powstają puste miejsca w powłokach
atomowych, zwane dziurami.
32
E
"E
"
"
"
Zgodnie z modelem pasmowym, ruch termiczny powoduje przeniesienie pewnej
liczby elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. W paśmie
podstawowym pojawia się taka liczba dziur, jaka jest liczba elektronów
przeniesionych do pasma przewodnictwa.
Pod wpływem zewnętrznego
pola elektrycznego elektrony
swobodne przemieszczajÄ… siÄ™.
Mogą przemieszczać się tak\
e
r
elektrony zwiÄ…zane z atomami.
E
Ich ruch jest mo\
liwy dzięki
istnieniu dziur. Przemieszczanie
się elektronów związanych z
atomami jest równoznaczne z
ruchem dziur. W półprzewod-
niku płynie prąd elektryczny.
Prąd w półprzewodnikach samoistnych polega zatem na ruchu elektronów
swobodnych w paśmie przewodnictwa i na ruchu dziur w paśmie podstawowym.
W miarę wzrostu temperatury maleje opór elektryczny półprzewodnika. Zale\
ność
oporu właściwego półprzewodnika od jego temperatury przedstawia wyra\
enie:
"E
"
"
"
-
-
-
-
2KT
Á = Á0e
Á = Á
Á = Á
Á = Á
Przykładem półprzewodników samoistnych są kryształy germanu, selenu, arsenku
galu i inne. Tworzenie siÄ™ par dziura-elektron mo\
e mieć równie\
miejsce w wyniku
zjawiska fotoelektrycznego, o ile fotony padające na półprzewodnik mają energię
wystarczajÄ…cÄ… do przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa.
33
PÓA
PRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Własności elektryczne półprzewodników wyraz
nie zmieniają się jeśli półprzewodnik
zawiera niewielką ilość domieszki innego pierwiastka. German jest pierwiastkiem z
czwartej grupy układu okresowego, a zatem ma cztery elektrony walencyjne. Jeśli do
sieci krystalicznej germanu zostanÄ… wprowadzone atomy pierwiastka z piÄ…tej grupy
układu okresowego, np. arsenu lub fosforu, który posiada pięć elektronów
walencyjnych, to jeden z elektronów nie znajdzie miejsca między elektronami
zwiÄ…zanymi. Ju\
nawet w temperaturze pokojowej taki elektron staje siÄ™ elektronem
swobodnym i mo\
e brać udział w przewodzeniu prądu.
E
Ge
e
"Ed
"
"
"
As
As Ed
e
"Ed - energia potrzebna do wprowadzenia elektronu donora do pasma przewodnictwa
"
"
"
Atomy domieszki wprowadzajÄ…ce do pasma przewodnictwa dodatkowe elektrony
nazywane są donorami. Półprzewodniki zawierające donory nazywane są
półprzewodnikami typu n ( łac. negativus). Zwykle jeden atom domieszki przypada
na 105 - 106 atomów półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników
E
Ge
In
In
EA
"EA
"
"
"
typu n polega głównie na ruchu elektronów swobodnych w paśmie przewodnictwa.
Tak jak w ka\
dym półprzewodniku samoistnym, równie\
w półprzewodniku
34
domieszkowym mogą pojawiać się pary dziura-elektron, jednak\
e energia potrzebna
do powstania takiej pary jest około 100 razy większa od "Ed, co oznacza, \
e liczba
"
"
"
dziur jest daleko mniejsza od liczby elektronów swobodnych. Dziury zatem są tu
nośnikami mniejszościowymi. Atomy indu mają trzy elektrony walencyjne, a w
wiązaniach występujących w krysztale germanu uczestniczą cztery elektrony
walencyjne. Ka\
dy atom indu wprowadza zatem do sieci krystalicznej dodatkowÄ…
dziurę. Przewodnictwo elektryczne w takim półprzewodniku polega zatem głównie
na ruchu dziur w paśmie podstawowym. Atomy domieszki wprowadzające
dodatkowe dziury nazywamy akceptorami. Taki półprzewodnik określamy mianem
półprzewodnika typu p (positivus). Dziury przemieszczające się w półprzewodniku
podczas przepływu prądu zachowują się tak jak ładunki dodatnie. Nieliczne elektrony
swobodne w półprzewodniku typu p stanowią tzw. nośniki mniejszościowe.
DIODA PÓA
PRZEWODNIKOWA
W wyniku zetknięcia półprzewodnika typu n z półprzewodnikiem typu p ma
miejsce dyfuzja elektronów z warstwy n do warstwy p. Elektrony wypełniają
dziury w półprzewodniku typu p, co prowadzi do
p n
powstania tzw. bariery potencjału. Półprzewodnik typu
- + - - - - p ładuje się ujemnie, a półprzewodnik typu n -
- + - - - -
dodatnio. Napięcie powstałe w warstwie granicznej
- + - - - -
półprzewodników hamuje dalszą dyfuzję.
- + - - - -
- + - - - -
Spolaryzowane złącze p-n posiada własność
przewodzenia prÄ…du w kierunku od p do n.
p n
- - - -
- + - - - - -
- + - - - -
- - - - -
H"
IH"0
H"
H"
- + - - - -
-
- - - -
- + - - - -
-
- - - -
I - + - - - -
-
- - - -
+
Jeśli złącze spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, to zewnętrzne pole
elektryczne powoduje opływanie elektronów z warstwy złącza w głąb
półprzewodnika typu p, a to umo\
liwia dopływ elektronów z n do złącza. W
obwodzie płynie silny prąd.
Jeśli półprzewodnik p jest połączony z ujemnym biegunem z
ródła napięcia
(kierunek zaporowy), to zewnętrzne pole elektryczne mo\
e spowodować jedynie
wycofanie się części elektronów, które znalazły się w p w wyniku dyfuzji. Bariera
potencjału ulega pewnemu obni\
eniu, ale prÄ…d w obwodzie praktycznie biorÄ…c nie
płynie. Jeśli jednak w półprzewodniku p jest niewielka ilość swobodnych
35
elektronów (nośniki mniejszościowe), to takie napięcie umo\
liwia ich przepływ
z p do n. Przepływ prądu przez złącze p-n mo\
na opisywać biorąc pod uwagę
ruch elektronów i dziur. W tym ujęciu prąd polega na ruchu w kierunku złącza z
jednej strony elektronów, a z drugiej dziur. W złączu zachodzi rekombinacja
elektronów i dziur.
Dla typowych złącz p-n ró\
nica potencjałów na granicy półprzewodników wynosi
od ułamka do 1 - 2 V. Poniewa\
grubość obszaru przejściowego jest rzędu 10-8 mm,
więc natę\
enie pola elektrycznego w złączu wytworzonego skutkiem dyfuzji
elektronów wynosi kilka milionów V/m.
Zale\
ność natę\
enia prądu płynącego przez diodę od wartości przyło\
onego napięcia
jest nazywana charakterystyką prądowo - napięciową diody.
I
I
p n
U
U
Ze wzrostem napięcia w kierunku przewodzenia rośnie natę\
enie prÄ…du. Zale\
ność
nie jest liniowa, poniewa\
ze wzrostem natÄ™\
enia prądu rośnie liczba nośników
prądu. Powstają nowe pary dziura-elektron. W kierunku zaporowym płynie słaby
prąd nośników mniejszościowych, jednak\
e gdy napięcie zaporowe przekroczy
pewną wartość, zale\
ną od rodzaju diody, następuje zniesienie bariery potencjału na
granicy złącza i prąd w kierunku zaporowym gwałtownie wzrasta.
RODZAJE DIOD
Istnieje wiele rodzajów diod, o ró\
nej budowie i przeznaczeniu. Do najwa\
niejszych
zaliczamy: dioda prostownicza, detekcyjna, stabilizacyjna (Zenera), pojemnościowa,
tunelowa, elektroluminescencyjna i fotodioda.
1. Dioda prostownicza.
Diody prostownicze sÄ… przystosowane do przewodzenia prÄ…du o du\
ym natÄ™\
eniu i
słu\
Ä… do prostowania prÄ…du zmiennego. ZnajdujÄ… zastosowanie w prostownikach
prÄ…du zmiennego.
36
Aby nie dopuścić do znacznych wahań prostowanego napięcia stosuje się dodatkowe
elementy L i C. Gdy napięcie jest maksymalne, energia jest gromadzona w polach
U
U
<"
<"
<"
<"
t
Prostownik jednopołówkowy
U
U
<"
<"
<"
<"
Prostownik dwupołówkowy
t
U
L
U
<"
<"
<"
<"
C
t
Mostek Graetza
magnetycznym i elektrycznym, a w momentach spadku napięcia energia ta zostaje
zwrócona do obwodu.
2. Dioda detekcyjna.
SÅ‚u\
y ona do prostowania napięć o wielkiej częstotliwości i dlatego musi mieć małą
pojemność elektryczną. Często jako diody detekcyjne stosowane są diody ostrzowe.
Warstwa zaporowa powstaje w nich na granicy metalowego ostrza z
półprzewodnikiem typu p.
3. Dioda stabilizacyjna (Zenera).
37
Dioda jest włączona do obwodu w kierunku zaporowym i zaczyna przewodzić gdy
napięcie przekroczy wartość napięcia Zenera. Umo\
liwia ona stabilizację napięć
prądu stałego w zakresie od 3 V do 300 V.
4. Dioda pojemnościowa.
Dioda włączona do obwodu w kierunku zaporowym pełni funkcję kondensatora. Ze
względu na bardzo małą grubość warstwy zaporowej mo\
e ona mieć dość znaczną
pojemność elektryczną. Pojemność diody bardzo silnie zale\
y od przyło\
onego
napięcia i z tego względu dioda pojemnościowa mo\
e pełnić rolę kondensatora o
zmiennej pojemności.
5. Dioda tunelowa.
Jest to dioda, której warstwy zawierają du\
o więcej domieszek jak inne diody
(1019- 1020 atomów na cm3). Je\
eli do takiej diody doprowadzi się napięcie w
I
6 mA
0,3 V
U
kierunku przewodzenia, wówczas natę\
enie prądu szybko rośnie, po czym zaczyna
opadać, a następnie wzrasta ju\
w sposób typowy dla zwykłych diod. Zjawisko
szybkiego narastania prÄ…du jest spowodowane tzw. efektem tunelowym,
przewidzianym w mechanice kwantowej.
Dioda pracująca na opadającej części charakterystyki zachowuje się jak ujemny opór
elektryczny, tzn. daje prąd tym silniejszy im mniejsze jest napięcie na jej końcach.
6. Dioda elektroluminescencyjna.
Podczas przepływu prądu przez diodę, w warstwie złącza zachodzi rekombinacja
dziur i elektronów. Mogą wtedy powstawać stany wzbudzone i emisja
promieniowania świetlnego. Materiałem czynnym diod elektroluminescencyjnych
jest zwykle GaAs lub GaP. Konstrukcja diody musi być taka, \
eby promieniowanie
wytworzone w warstwie złącza mogło wydostać się z diody. Podobnie jak dioda
elektroluminescencyjna działa laser półprzewodnikowy.
38
Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy
Emisja laserowa zachodzi przy du\
ych gęstościach prądu płynącego przez złącze
p-n. Gęstość prądu musi być rzędu 1000 A/cm2.
Diody elektroluminescencyjne sÄ… u\
ywane m.in. jako wskaz
niki napięcia, czy
poziomu wysterowania w ró\
nych urządzeniach elektrycznych. Mogą być tak\
e
u\
ywane do tworzenia napisów świetlnych.
Lasery półprzewodnikowe o skromnych parametrach są wyjątkowo tanie. Mają one
szerokie zastosowanie, m.in. w dalmierzach laserowych i w odtwarzaczach płyt
kompaktowych.
7. Fotodioda.
Dioda włączona do obwodu w kierunku zaporowym nie przewodzi prądu, jednak\
e
światło docierające do warstwy
złącza powoduje zjawisko
fotoelektryczne. Elektrony, które
przedyfundowały do warstwy p, w
wyniku działania światła powracają
do warstwy n, co prowadzi do
zniesienia bariery na granicy złącza i
przez diodę płynie prąd w kierunku
zaporowym. Szczególne znaczenie
majÄ… tzw. fotodiody lawinowe.
Napięcie przyło\
one do elektrod
diody jest tak du\
e, \
e jeśli na diodę
pada światło, to następuje przebicie i
lawinowo powstajÄ… nowe pary
dziura-elektron. NatÄ™\
enie prÄ…du
silnie wzrasta. Fotodiody z
powodzeniem zastępują foto-
komórki pró\
niowe.
39
TRANZYSTOR
Tranzystor składa się z dwu złączy p-n poło\
onych blisko siebie w jednym
monokrysztale. Mo\
liwe są dwa typy tranzystorów: p-n-p i n-p-n.
Istnieje wiele rodzajów tranzystorów. Zasadę działania tranzystora mo\
na wyjaśnić
na przykładzie tranzystora warstwowego p-n-p. Dwie warstwy półprzewodnika typu
p są przedzielone cienką warstwą półprzewodnika typu n. Grubość tej warstwy
wynosi od kilku tysięcznych do kilku setnych milimetra i jest nazywana bazą.
Warstwy zewnętrzne noszą nazwy emitera i kolektora.
p n p
E C E C
_
_
+
_
_
+
_
_
+
_
_
+
_
_
+
_
_
+
_
_
+
B B
p-n-p n-p-n
emiter baza kolektor
E B C
Oznaczenia tranzystorów
W wyniku dyfuzji elektrony z bazy przechodzÄ… do emitera i kolektora. ZÅ‚Ä…cze baza-
kolektor jest podłączone w kierunku zaporowym. Prąd w tym obwodzie nie płynie.
Zamknięcie obwodu emiter-baza powoduje przepływ prądu w tym obwodzie.
Odpłynięcie elektronów w głąb emitera powoduje, \
e do bazy wracajÄ… elektrony z
kolektora. Bariera potencjału na granicy baza-kolektor zostaje znacznie obni\
ona i w
tym obwodzie zaczyna płynąć prąd. Niewielkie zmiany napięcia w obwodzie emiter-
baza dajÄ… taki efekt jak du\
o większe zmiany napięcia w obwodzie baza-kolektor.
Przedstawiony układ pracy tranzystora jest nazywany układem pracy o wspólnej
bazie. Częściej stosowanym układem pracy tranzystora jest układ o wspólnym
emiterze.
E B C
Niewielki prąd płynący od emitera do bazy znosi barierę potencjału na granicy bazy i
kolektora, co umo\
liwia przepływ du\
o silniejszego prÄ…du w obwodzie emiter-baza-
kolektor. Niewielkie zmiany napięcia na wejściu układu zostają przekształcone w
zmiany napięcia o du\
o większej amplitudzie, które powstają na wyjściu układu.
Istotna ró\
nica między emiterem i kolektorem polega na ilości domieszek. Ilość
40
domieszek jest du\
o większa w emiterze ni\
w kolektorze. Z tego względu opór
emitera jest du\
o mniejszy od oporu kolektora (kilka tysięcy). Układ pracy o
wspólnym emiterze charakteryzuje się du\
ym wzmocnieniem prÄ…dowym (20 do 200
razy), du\
ym wzmocnieniem napięciowym (kilkaset razy) i bardzo du\
ym
wzmocnieniem mocy (kilka tysięcy razy). Faza sygnału wyjściowego jest odwrócona
w stosunku do fazy sygnału wejściowego.
Tranzystor jest wykorzystywany jako wzmacniacz. Poni\
ej przedstawiono schemat
prostego wzmacniacza tranzystorowego. Fale dz
więkowe padające na mikrofon
powodują powstanie zmiennego napięcia o częstotliwości akustycznej. Napięcie to
jest podane na wejście wzmacniacza, tj. między emiter i bazę, poprzez kondensator
C. Niewielkie zmiany natÄ™\
enia prądu płynącego przez emiter i bazę umo\
liwiajÄ…
8,5V
S
R
C
9V
0,5 V
M
+
powstanie du\
ych zmian napięcia na słuchawce S. Opór R pozwala na utrzymanie
niewielkiego stałego prądu w obwodzie emiter-baza. W praktyce stosowane są
wzmacniacze wielostopniowe zawierające kilka tranzystorów.
FOTOOGNIWO
Ogniwo fotoelektryczne jest to urządzenie przetwarzające energię świetlną
bezpośrednio na elektryczną. Fotoogniwo miedziowe powstaje w wyniku naniesienia
na płytkę miedzianą warstwy Cu2O, na którą
jest napylona cienka warstwa metalu, np:
złota, srebra czy miedzi. W wyniku dyfuzji
elektrony z metalu przechodzÄ… do Cu2O,
Cu
który jest półprzewodnikiem typu p. Światło
Cu2O
przenikajÄ…c przez cienkÄ… warstwÄ™ metalu
+ +
Cu wybija elektrony z warstwy granicznej metal-
półprzewodnik. Górna powierzchnia metalu
uzyskuje ni\
szy potencjał od dolnej i w
obwodzie płynie prąd. Fotoogniwa znalazły
zastosowanie w światłomierzach fotograficznych. Baterie fotoogniw stanowią
równie\
z
ródło zasilania sztucznych satelitów. Sprawność współczesnych fotoogniw
sięga 15%. W rejonach o du\
ym nasłonecznieniu baterie fotoogniw mogą być
u\
ywane do wytwarzania energii elektrycznej potrzebnej do zasilania gospodarstw
domowych.
41