28
ELEMENTY FIZYKI CIAŁA STAŁEGO
PODSTAWOWE POJĘCIA KRYSTALOGRAFII
1. Kryształy i ciała bezpostaciowe.
Wszystkie ciała stałe moŜna podzielić na ciała krystaliczne i ciała bezpostaciowe,
zwane równieŜ amorficznymi. W kryształach, atomy ułoŜone 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 równieŜ brak zaleŜności 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 kaŜda komórka elementarna.
Takie rozległe struktury powstają rzadko i nazywamy je monokryształami.
Charakterystyczną własnością monokryształu jest anizotropia. RóŜne są jego
własności fizyczne w róŜnych kierunkach. Od kierunku zaleŜą np. spręŜystość,
przewodnictwo cieplne, opór elektryczny, współczynnik załamania światła, prędkość
rozchodzenia się dźwięku itp. JeŜeli 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.
29
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
naroŜach sześcianu o krawędzi rzędu 10
-10
m.
PODSTAWOWE TYPY WIĄZAŃ SIECI KRYSTALICZNEJ
Siły wiąŜące 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 kaŜdy element sieci równowaŜą się.
1. Wiązania jonowe.
Sieć krystaliczna jest w tym przypadku utworzona przez jony róŜnych 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. Wiązania atomowe (kowalencyjne).
Takie wiązania tworzą odpowiednio gęsto ułoŜone atomy. Pomiędzy jądrami
atomowymi działają siły odpychania. Odpychają się równieŜ 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 najbliŜszym sąsiedztwie wynosi 2 lub 8. Kryształy
atomowe są zazwyczaj twarde i mają wysoką temperaturę topnienia. Takie kryształy
tworzą m.in. diament, german i krzem.
Cl
-
Na
+
Na
+
Cl
-
30
3. Wiązania metaliczne.
Takie wiązania tworzą atomy, których stan równowagi powstaje przy takim
zbliŜeniu, Ŝe powłoki elektronowe zachodzą na siebie. Sieć krystaliczną tworzą
zatem dodatnie jony metalu. Elektrony walencyjne mogą swobodnie przemieszczać
się wewnątrz sieci krystalicznej. Elektrony swobodne tworzą rodzaj gazu
wypełniającego sieć krystaliczną. Kryształy metaliczne są dobrymi przewodnikami
prądu elektrycznego.
DRGANIA SIECI KRYSTALICZNEJ
Atomy tworzące sieć krystaliczną wykonują nieustanne ruchy drgające. Są to tzw.
ruchy termiczne. Siły wiąŜące poszczególne atomy sprawiają, Ŝe 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 moŜliwych fal stojących. Długość najkrótszej fali stojącej
λ = 2
λ = 2
λ = 2
λ = 2
a, gdzie
a - najmniejsza odległość identycznych jonów lub atomów (stała sieci).
Poszczególne atomy sieci krystalicznej uczestniczą jednocześnie w wielu ruchach
falowych, stąd ich drgania są pozornie chaotyczne.
ROZSZERZALNOŚĆ TERMICZNA CIAŁ STAŁYCH
Z ruchem drgającym atomów jest związana energia kinetyczna. Wartość energii
ruchu harmonicznego jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy drgań. ZaleŜność
energii ruchu drgającego od maksymalnego wychylenia od połoŜenia równowagi
przedstawia poniŜszy wykres.
Atomy tworzące sieć krystaliczną jednak oddziaływują na siebie wzajemnie co
powoduje, Ŝe w miarę wzrostu amplitudy drgań zachodzi przemieszczanie się
centrum drgań jednego atomu w stosunku do drugiego atomu. Przyjmując, Ŝe
odległość między nieruchomymi atomami wynosi R
0
, to w miarę wzrostu
temperatury ma miejsce wzajemne oddalanie się atomów.
R
0
R
E
31
Zamieszczony niŜej wykres przedstawia przemieszczanie się centrum drgań. Przy
pewnej energii ruchu drgającego ma miejsce destrukcja sieci krystalicznej. Atom
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.
WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH
Ze względu na własność przewodzenia prądu elektrycznego, ciała stałe moŜna
podzielić na przewodniki, półprzewodniki i izolatory. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe
wszystkie ciała przewodzą prąd elektryczny, ale ich opór elektryczny moŜe znacznie
się róŜnić. Z grubsza biorąc, opór właściwy półprzewodników zawiera się w
granicach od 10
-6
do 10
6
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m.
Materiały o oporze mniejszym od 10
-6
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m nazywamy przewodnikami. Izolatory
mają opór większy od 10
-6
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m.
Do najlepszych przewodników zaliczamy srebro i miedź (
ρ
ρ
ρ
ρ
=1,6
⋅⋅⋅⋅
10
-8
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m i
1,8
⋅⋅⋅⋅
10
-8
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m). Opór właściwy najlepszych izolatorów sięga 10
19
Ω
Ω
Ω
Ω⋅⋅⋅⋅
m. NaleŜą do nich:
marmur, bursztyn, parafina, ebonit, porcelana i inne. Opór elektryczny izolatorów i
półprzewodników maleje ze wzrostem temperatury.
MODEL PASMOWY CIAŁA STAŁEGO
Warunki kwantowe określają jednoznacznie energię, jaką moŜe mieć elektron w polu
sił jądra atomowego. Dla pojedynczego atomu istnieją wyraźne poziomy energii
dozwolonej odpowiadające kolejnym powłokom elektronowym. Atomy ciała stałego
znajdują się tak blisko siebie, Ŝe elektrony jednego atomu doznają równieŜ
oddziaływania ze strony sąsiednich jąder atomowych. Ten stan rzeczy powoduje, Ŝe
energia elektronu jest zawarta w pewnych pasmach, tym szerszych im elektron jest
bardziej oddalony od jądra macierzystego.
R
0
R
E
32
E
E
−−−−
1
16
Rhc
−−−−
1
25
Rhc
−−−−
1
4
Rhc
−−−−
1
9
Rhc
N
N
O
O
0
0
M
M
L
L
Poziomy energii pojedynczego atomu
Pasma energii atomu ciała stałego
Dla przewodnictwa elektrycznego szczególnie waŜne są: największa energia, którą
mają elektrony związane z atomem i najmniejsza energia, jaką mają elektrony
swobodne. Wartości tych energii określają górny brzeg pasma podstawowego i dolną
krawędź 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 są związane ze swoimi atomami, a zatem
pasmo przewodnictwa jest zupełnie puste. Aby izolator zaczął przewodzić, elektrony
muszą uzyskać znaczną energię.
PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE
Jeśli półprzewodnik ma temperaturę bliską temperaturze zera bezwzględnego, to w
jego sieci krystalicznej praktycznie nie ma elektronów swobodnych. Przy
podwyŜszaniu 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.
pasmo przewodnictwa
przerwa energii
wzbronionych
4 eV
E
E
pasmo podstawowe
1 eV
izolator
półprzewodnik
33
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 przemieszczają się.
Mogą przemieszczać się takŜe
elektrony związane z atomami.
Ich ruch jest moŜliwy 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. ZaleŜność
oporu właściwego półprzewodnika od jego temperatury przedstawia wyraŜenie:
ρρρρ ρρρρ
====
−−−−
0
2
e
E
KT
∆∆∆∆
Przykładem półprzewodników samoistnych są kryształy germanu, selenu, arsenku
galu i inne. Tworzenie się par dziura-elektron moŜe mieć równieŜ miejsce w wyniku
zjawiska fotoelektrycznego, o ile fotony padające na półprzewodnik mają energię
wystarczającą do przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa.
E
∆∆∆∆
E
r
E
34
PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWE
Własności elektryczne półprzewodników wyraźnie 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 zostaną wprowadzone atomy pierwiastka z piątej grupy
układu okresowego, np. arsenu lub fosforu, który posiada pięć elektronów
walencyjnych, to jeden z elektronów nie znajdzie miejsca między elektronami
związanymi. JuŜ nawet w temperaturze pokojowej taki elektron staje się elektronem
swobodnym i moŜe brać udział w przewodzeniu prądu.
∆∆∆∆
E
d
- energia potrzebna do wprowadzenia elektronu donora do pasma przewodnictwa
Atomy domieszki wprowadzające do pasma przewodnictwa dodatkowe elektrony
nazywane są donorami. Półprzewodniki zawierające donory nazywane są
półprzewodnikami typu
n
( łac. negativus). Zwykle jeden atom domieszki przypada
na
10
5
- 10
6
atomów półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników
typu
n
polega głównie na ruchu elektronów swobodnych w paśmie przewodnictwa.
Tak jak w kaŜdym półprzewodniku samoistnym, równieŜ w półprzewodniku
e
e
∆∆∆∆
E
d
E
E
d
Ge
As
As
Ge
In
In
E
E
A
∆∆∆∆
E
A
35
domieszkowym mogą pojawiać się pary dziura-elektron, jednakŜe energia potrzebna
do powstania takiej pary jest około
100
razy większa od
∆∆∆∆
E
d
, co oznacza, Ŝe 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. KaŜdy atom indu wprowadza zatem do sieci krystalicznej dodatkową
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 PÓŁPRZEWODNIKOWA
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
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 prądu w kierunku od
p
do
n
.
Jeśli złącze spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, to zewnętrzne pole
elektryczne powoduje opływanie elektronów z warstwy złącza w głąb
półprzewodnika typu
p
, a to umoŜliwia dopływ elektronów z
n
do złącza. W
obwodzie płynie silny prąd.
Jeśli półprzewodnik
p
jest połączony z ujemnym biegunem źródła napięcia
(kierunek zaporowy), to zewnętrzne pole elektryczne moŜe spowodować jedynie
wycofanie się części elektronów, które znalazły się w
p
w wyniku dyfuzji. Bariera
potencjału ulega pewnemu obniŜeniu, ale prąd w obwodzie praktycznie biorąc nie
płynie. Jeśli jednak w półprzewodniku
p
jest niewielka ilość swobodnych
p n
- + - - - -
- + - - - -
- + - - - -
- + - - - -
- + - - - -
p n
- + - - - -
- + - - - -
- + - - - -
- + - - - -
I
- + - - - -
+
I
≈≈≈≈
0
- - - -
- - - -
- - - -
- - - -
- - - -
-
-
-
-
-
36
elektronów (nośniki mniejszościowe), to takie napięcie umoŜliwia ich przepływ
z
p
do
n
. Przepływ prądu przez złącze
p-n
moŜna 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
róŜnica potencjałów na granicy półprzewodników wynosi
od ułamka do
1 - 2 V
. PoniewaŜ grubość obszaru przejściowego jest rzędu
10
-8
mm
,
więc natęŜenie pola elektrycznego w złączu wytworzonego skutkiem dyfuzji
elektronów wynosi kilka milionów
V/m
.
ZaleŜność natęŜenia prądu płynącego przez diodę od wartości przyłoŜonego napięcia
jest nazywana charakterystyką prądowo - napięciową diody.
Ze wzrostem napięcia w kierunku przewodzenia rośnie natęŜenie prądu. ZaleŜność
nie jest liniowa, poniewaŜ ze wzrostem natęŜenia prądu rośnie liczba nośników
prądu. Powstają nowe pary dziura-elektron. W kierunku zaporowym płynie słaby
prąd nośników mniejszościowych, jednakŜe gdy napięcie zaporowe przekroczy
pewną wartość, zaleŜną od rodzaju diody, następuje zniesienie bariery potencjału na
granicy złącza i prąd w kierunku zaporowym gwałtownie wzrasta.
RODZAJE DIOD
Istnieje wiele rodzajów diod, o róŜnej budowie i przeznaczeniu. Do najwaŜniejszych
zaliczamy: dioda prostownicza, detekcyjna, stabilizacyjna (Zenera), pojemnościowa,
tunelowa, elektroluminescencyjna i fotodioda.
1. Dioda prostownicza.
Diody prostownicze są przystosowane do przewodzenia prądu o duŜym natęŜeniu i
słuŜą do prostowania prądu zmiennego. Znajdują zastosowanie w prostownikach
prądu zmiennego.
U
U
I
p n
I
37
Aby nie dopuścić do znacznych wahań prostowanego napięcia stosuje się dodatkowe
elementy
L
i
C
. Gdy napięcie jest maksymalne, energia jest gromadzona w polach
magnetycznym i elektrycznym, a w momentach spadku napięcia energia ta zostaje
zwrócona do obwodu.
2. Dioda detekcyjna.
SłuŜy 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).
U
U
t
∼∼∼∼
Prostownik jednopołówkowy
∼∼∼∼
t
U
U
Prostownik dwupołówkowy
t
U
U
L
∼∼∼∼
C
Mostek Graetza
38
Dioda jest włączona do obwodu w kierunku zaporowym i zaczyna przewodzić gdy
napięcie przekroczy wartość napięcia Zenera. UmoŜliwia 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 moŜe ona mieć dość znaczną
pojemność elektryczną. Pojemność diody bardzo silnie zaleŜy od przyłoŜonego
napięcia i z tego względu dioda pojemnościowa moŜe pełnić rolę kondensatora o
zmiennej pojemności.
5. Dioda tunelowa.
Jest to dioda, której warstwy zawierają duŜo więcej domieszek jak inne diody
(
10
19
- 10
20
atomów na cm
3
). JeŜeli do takiej diody doprowadzi się napięcie w
kierunku przewodzenia, wówczas natęŜenie prądu szybko rośnie, po czym zaczyna
opadać, a następnie wzrasta juŜ w sposób typowy dla zwykłych diod. Zjawisko
szybkiego narastania prądu 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, Ŝeby promieniowanie
wytworzone w warstwie złącza mogło wydostać się z diody. Podobnie jak dioda
elektroluminescencyjna działa laser półprzewodnikowy.
U
I
6 mA
0,3 V
39
Dioda elektroluminescencyjna
Laser półprzewodnikowy
Emisja laserowa zachodzi przy duŜych gęstościach prądu płynącego przez złącze
p-n
. Gęstość prądu musi być rzędu
1000 A/cm
2
.
Diody elektroluminescencyjne są uŜywane m.in. jako wskaźniki napięcia, czy
poziomu wysterowania w róŜnych urządzeniach elektrycznych. Mogą być takŜe
uŜywane 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, jednakŜe
ś
wiatło 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
mają tzw. fotodiody lawinowe.
Napięcie przyłoŜone do elektrod
diody jest tak duŜe, Ŝe jeśli na diodę
pada światło, to następuje przebicie i
lawinowo powstają nowe pary
dziura-elektron. NatęŜenie prądu
silnie
wzrasta.
Fotodiody
z
powodzeniem
zastępują
foto-
komórki próŜniowe.
40
TRANZYSTOR
Tranzystor składa się z dwu złączy
p-n
połoŜonych blisko siebie w jednym
monokrysztale. MoŜliwe są dwa typy tranzystorów:
p-n-p
i
n-p-n
.
Istnieje wiele rodzajów tranzystorów. Zasadę działania tranzystora moŜna 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.
W wyniku dyfuzji elektrony z bazy przechodzą do emitera i kolektora. Złącze 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, Ŝe do bazy wracają elektrony z
kolektora. Bariera potencjału na granicy baza-kolektor zostaje znacznie obniŜona i w
tym obwodzie zaczyna płynąć prąd. Niewielkie zmiany napięcia w obwodzie emiter-
baza dają taki efekt jak duŜo 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.
Niewielki prąd płynący od emitera do bazy znosi barierę potencjału na granicy bazy i
kolektora, co umoŜliwia przepływ duŜo silniejszego prądu w obwodzie emiter-baza-
kolektor. Niewielkie zmiany napięcia na wejściu układu zostają przekształcone w
zmiany napięcia o duŜo większej amplitudzie, które powstają na wyjściu układu.
Istotna róŜnica między emiterem i kolektorem polega na ilości domieszek. Ilość
p n p
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
Oznaczenia tranzystorów
p-n-p
n-p-n
E C E C
B
B
emiter baza kolektor
E B C
E B C
41
domieszek jest duŜo większa w emiterze niŜ w kolektorze. Z tego względu opór
emitera jest duŜo mniejszy od oporu kolektora (kilka tysięcy). Układ pracy o
wspólnym emiterze charakteryzuje się duŜym wzmocnieniem prądowym (
20
do
200
razy), duŜym wzmocnieniem napięciowym (kilkaset razy) i bardzo duŜym
wzmocnieniem mocy (kilka tysięcy razy). Faza sygnału wyjściowego jest odwrócona
w stosunku do fazy sygnału wejściowego.
Tranzystor jest wykorzystywany jako wzmacniacz. PoniŜej przedstawiono schemat
prostego wzmacniacza tranzystorowego. Fale dźwiękowe 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 natęŜenia prądu płynącego przez emiter i bazę umoŜliwiają
powstanie duŜych 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
Cu
2
O
, na którą
jest napylona cienka warstwa metalu, np:
złota, srebra czy miedzi. W wyniku dyfuzji
elektrony z metalu przechodzą do
Cu
2
O
,
który jest półprzewodnikiem typu
p
. Światło
przenikając przez cienką warstwę metalu
wybija elektrony z warstwy granicznej metal-
półprzewodnik. Górna powierzchnia metalu
uzyskuje niŜszy potencjał od dolnej i w
obwodzie płynie prąd. Fotoogniwa znalazły
zastosowanie w światłomierzach fotograficznych. Baterie fotoogniw stanowią
równieŜ źródło zasilania sztucznych satelitów. Sprawność współczesnych fotoogniw
sięga 15%. W rejonach o duŜym nasłonecznieniu baterie fotoogniw mogą być
uŜywane do wytwarzania energii elektrycznej potrzebnej do zasilania gospodarstw
domowych.
8,5V
R
C
9V
0,5 V
+
M
S
Cu
2
O
Cu
Cu
+
+