Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 23 dotazů obsahujících »polovodič«
13) Vodivostní pás a vedení elektrického proudu
14. 11. 2003
Dotaz: Zajímalo by mě, jakým způsobem se v kovu přenáší el. proud, nechápu pojem
"vodivostní pás". Znamená to, že elektrony se pohybují jen z jednoho vodivostního
pásu do druhého, kde "vyrazí" další elektron, a to je přenos proudu? (Jana Šupíková)
Odpověď: Elektrický proud v kovech vedou elektrony, které se téměř volně pohybují v
mřížce atomů kmitajících kolem rovnovážných poloh. Tyto elektrony se
oddělily od atomů, které mají tím pádem kladný náboj a elektronům
znesnadňují pohyb. Kov má proto elektrický odpor. K tomu, aby tekl kovovým
drátem elektrický proud, musí se na jeho konce přiložit elektrické napětí.
Jak se s klesající teplotou zmenšují kmity atomů mřížky, klesá i elektrický
odpor. Neklesne na nulu, protože elektronům stojí v cestě i nečistoty,
nepravidelnosti a poruchy mřížky, které jsou vždycky přítomny. Tento zdroj
odporu na teplotě nezávisí a projeví se tedy v nízkých teplotách. Čím je
materiál čistší, tím lépe vede elektrický proud.
Toto je tedy klasický pohled na vedení proudu v kovech. Mnohé jevy v
mikrosvětě vysvětlíme však jen s pomoci kvantové teorie. Elektron si nelze
představovat jako přesně ohraničenou kuličku, popisuje se spíše vlnovou
funkc9 a vyskytuje se tam, kde má vlnová funkce velkou hustotu. Podle
kvantové teorie mohou mít elektrony v atomech jen určit0 hodnoty energie.
Fermiho statistika, kterou se elektrony řídí, dovoluje, aby se na jisté hladině
energie nacházely vždy jen dva elektrony a ještě s opačným vlastním
mechanickým a magnetickým momentem (spinem). Přiblíží-li se atomy k sobě tak
blízko, že vytvoří strukturu pevné látky, jejich energetické hladiny se
posunou a promísí tak, že vytvoří pás energií. Volně elektrony opouštějí
vlivem tepelné energie tento pás (nad tzv. Fermiho energií) a podílejí se na
vedení proudu. Pás, o kterém se zmiňujete, není tedy žádná jízdní dráha
nebo kanál, jimiž by elektrony proudily, nýbrž je to pás ve spektru energií.
Vznikne-li přiblížením některých druhů atomů (kondenzací) místo kovů
polovodič, je nad zmíněným valenčním pásem zakázaný pás energií, nad nímž se
nachází vodivostní pás, kam se musí nositelé náboje (elektrony nebo díry po
elektronech) dostat, aby mohly vést proud. Polovodič vede tedy tím lépe, čím
více nositelů náboje může přeskočit z valenčního pásu do vodivostního pásu.
Odpor polovodiče tedy s teplotou klesá.
Materiály, které mají široký zakázaný pás, přes který se elektrony už
nemohou dostat, se chová jako izolátor.
V krátkosti jsem mohl podat jen takovéto hrubé vysvětlení. Nahlédněte do
nějaké učebnice fyziky pevných látek. Dozvíte se tam i o takových
zvláštních vodičích, jako jsou supravodiče.
Dotaz: Ve škole jsme se učili, že elektrický proud je uspořádaný pohyb
částic s elektrickým nábojem. Co jsem však nepochopil a zapomněl se na to
zeptat, jak tento pohyb ve vodiči vypadá. Zda dochází k průtoku volných
částic z počátku vodiče až k jeho konci, nebo se jedná o jejich vlnění o dané
amplitudě, frekvenci atd. a pohybují se pouze na určitém prostoru v rámci
těchto veličin, jako je tomu například se vzduchem při zvuku? Pokud cestují
celým vodičem, jak se chovají při záporném napjetí a proudu? to jdou zase
zpátky do zdroje? (Ladislav Veselý)
Odpověď: Nositele nábojů ve vodičích, tj. elektrony v kovech, ionty v
kapalinách a plynech a elektrony a "díry" v polovodičích opravdu
cestují, jak je elektrické pole žene, kolem dokola v uzavřeném obvodu.
Samozřejmě po sepnutí obvodu se nechovají jako účastníci májového
průvodu, kteří jdou ukázněně směrem, kterým je žene pole, ale spíše
tak jak naznačuji svým žákům modelem: Nositele nabojů
představují hemžící se mravenci v mraveništi, kde vytvořím pachové
pole tím, že na jednu stranu mraveniště dám lákavý med a na druhou
něco smradlavého (otevřu tam třeba lahvičku se čpavkem).
Hemžení neustane, nebude ale zcela souměrně chaotické (středová
rychlost 0), a bude trošičku převládat směr rychlosti k medu.
Kam pocestují, tj. jaký je směr proudu, když smradové pole vyměním je
snad jasné.
Dotaz: Potřebovala bych do skoly vědět něco o izolantech a vodičech. Chodím do
6.třídy takže ne nic složitýho! (Ája)
Odpověď: Stručně řečeno, vodičem je jakákoli látka, ve které jsou volné pohyblivé
nabité částice, které mohou přenášet náboj.
V kovech a grafitu jsou to volné elektrony (to jsou elektrony, které
jádro atomu pevně nedrží u sebe), v kapalných vodičích
(mořská voda, minerálka, roztavená sůl) jsou to ionty (atomy, kterým
chybí nebo přebývá elektron), v plynech opět elektrony utržené od
atomu a ionty, v polovodičích toulavé elektrony a díry, kde elektrony
by být měli ale nejsou.
V izolantech takoví nosiči nejsou.
Dotaz: Zajímalo by mě, kolik a jaké jsou druhy tranzistorů a jejich využití. (Lucie Píšová)
Odpověď: Milá Lucie,
tranzistory patří mezi tzv. aktivní polovodičové prvky, stejně jako například
diody. V současné době se jich vyrábí mnoho různých modifikací. Obecně je
můžeme rozdělit do dvou základních skupin - unipolární a bipolární. Obě
tyto skupiny můžeme dál rozdělit podle různých hledisek na další
podskupiny. Existují například bipolární tranzistory nízkofrekvenční,
vysokofrekvenční, výkonové nebo s malým výkonem apod.
Bipolární tranzistory obsahují dva polovodičové přechody PN. Jde tedy o
tranzistory typu P-N-P nebo N-P-N, ze kterých jsou vyvedeny tři elektrody
- báze, emitor a kolektor. Uplatňuje se v nich děrová i elektronová
vodivost (jedna je vždy ve většině - tzv. majoritní, druhá v menšině -
minoritní).
Unipolární tranzistory, jak už název napovídá, mají pouze děrovou nebo
elektronovou vodivost. Rozdělujeme je podle typu vodivého kanálu - s vodivým
kanálem typu P nebo N, a podle technologie.
Nejčastěji se vyrábějí tranzistory germaniové a křemíkové. Jejich
uplatnění v praxi je velmi široké. Další podrobnější informace si přečtěte
například na následujících stránkách: http://www.io.freehosting.cz/ - vlastnosti tranzistorů ,
http://sweb.cz/skriptum/elektro/Tranzist.htm .
Jak funguje unipolární tranzistor se dočtete zde:
http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/kap2/2_3_2.html .
Dotaz: Mám dvě otázky. První se týká elektrolýzy, která probíhá v rozříznutém
citrónu za pomoci Cu a Zn elektrody (pokus ZŠ). Zajímalo by mě, jaké
reakce probíhají uvnitř citrónu.
Dál bych ráda věděla něco bližšího o působení rezistorů v el. obvodu.
Pokud předpokládám, že el.proud je proud elektronů, jakým způsobem rezistor
proud zmenší? Domnívám se, že nějakým (mě neznámým) způsobem "pohlcuje"
volné elektrony. Mohli byste napsat něco bližšího? (M.Vaněčková)
Odpověď: 1. Funkce galvanického článku je založena na přechodu iontů kovu elektrod do
elektrolytu. V daném případě se vytvářejí zřejmě soli kyseliny citrónové,
případně další i složitější organické soli. Článek by pracoval i s vodním
roztokem NaCl, jak to předváděl Alessandro Volta v roce 1800. Sestavil řadu
kovů podle rostoucího kontaktního potenciálu a podle této rady lze vybrat
materiály pro galvanické články. Napětí naprázdno by mělo tedy záviset jen
na materiálu elektrod, kontaktní potenciál je obrazem elektronové struktury
atomu. Kvalita článku, tedy jeho vnitřní odpor a tím i svorkové napětí při
odběru proudu, závisí pak na elektrolytu. Jak lze článek krátkodobě zatížit,
jak je odolný proti samovybíjení je zase další technologický problém. Dnešní
články jsou výsledkem intenzívních snah fyzikálních chemiků a mají stále
menší rozměry a dávájí stále větší výkony. Hodně v této oblasti, myslím,
pracuje Ústav fyzikální chemie a elektrochemie J. Heyrovského AV ČR.
2. Proud ve vodiči je výsledkem vzájemného působení mezi elektrony a zejména
mezi elektrony a atomy materiálu. Ohmův zákon ve svém prostém tvaru skrývá v
sobě složité mechanismy těchto interakcí. Elektrony jako částice s
elektrickým nábojem by se v elektrickém poli měly pohybovat se stále
rostoucí rychostí, tedy rovnoměrně zrychleně. Skutečnost, že proud se za
velmi krátký čas (řádově 10-14 s) ustálí na stacionární (časově
neproměnné) hodnotě, je důsledek právě těchto interakcí. V kovech v
pokojových teplotách převládá rozptyl elektronů na atomech (nebo iontech)
kmitajících kolem rovnovážných poloh. Čím větší je teplota, tím více atomy
kmitají a tím je odpor kovů větší. V nízkých teplotách se uplatní rozptyl
elektronů na nepravidelnostech mřížky (různé atomy ve slitinách), poruchách
mřížky (vakance, dislokace, hranice zrn) a je proto teplotně nezávislý.
Odpor kovů tedy v nízkých teplotách neklesne k nule ale k nějaké teplotně
nezávislé hodnotě. Výjimku tvoří supravodiče, v nichž proud vedou spárované
elektrony - kuperony, které efektivně s mřížkou neinteragují a odpor tedy
klesne na čistou nulu. V polovodičích závisí odpor především na množství
nositelů náboje - elektronů nebo děr, které mají dostatečnou tepelnou
energii k překonání energetické bariéry zakázaného pásu energií. Odpor
polovodičů s rostoucí teplotou klesá.
Elektrony tedy v rezistoru ztrácejí energii, kterou předávají mřížce atomu,
která se tím zahřívá. Říká se tomu Jouleův jev a Jouleovo teplo. Takhle topí
přímotopy a hřeje i žárovka, kromě svícení, což je jiná forma přemeny
energie elektronů. Elektrické náboje se nemohou nikde ztrácet, platí zákon
zachování náboje.
