FyzWeb  odpovědna

Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!


nalezeno 23 dotazů obsahujících »polovodič«

10) Mechanický model napětí, zesilovače a střídavého proudu23. 01. 2004

Dotaz: Prolétl jsem články o elektřině a magnetismu, ale to co jsem hledal, jsem nenašel. Vždy se dovídám dogmata.
1.) Tak např. vždy používáte el. napětí. Do obvodu musíme zavést el. napětí, aby mohl téct proud. Ten ale téct vůbec nemusí.. tomu nerozumím, co je tedy el. napětí, resp. jak si ho představit (a to na molekulární úrovni - pokud tak lze).
2.) V učebnici Elektřina a magnetismus pro střední školy je zakreslen obvod s tranzistorem - obr. "Tranzistorový zesilovač"- podobný lze nalézt i jinde (i ve skriptech elektroniky). Vždy tam je řečeno, že na výstupu je obrácená fáze napětí, ale proč to tak je? Fyzikář mi to vysvětlil tak, že jsem si připadal, jako by mi neodpovídal na otázku - asi jsem jediný, kdo tomu nerozumí. U tohoto obvodu nerozumím ani vstupu, výstupu a podobným pojmům, v knize definovány nejsou.
3.) Další problém je s představou střídavého proudu. Kudy jdou elektrony případně díry? U stejnosměrného je jasně dané, kde je + a kde -, ale střídavý, chvíli jde do obvodu na obě strany + a pak zase -. Byl bych rád, kdyby jste mi pomohli v tom udělat jasno. (Liam)

Odpověď: K 1. otázce: Co je to napětí?
Než napíši obecnou odpověď, popíši něco obdobného v mechanice. Kolem Země je gravitační pole. Když umístím 10 m nad podlahu kilovku, bude v tom místě mít jinou potenciální energii než na podlaze. Rozdíl bude 100 J. Mohli bychom říci, že mezi těmi místy (i když tam žádné kilovky nebudou) je "mechanické napětí" 100 J/kg. Toto "mechanické napětí" charakterizuje ROZDÍL STAVŮ mezi těmito dvěma místy gravitačního pole. Nic "molekulárního" si představit k tomu nedovedu, to co jsem popsal, platí i kdyby kolem Země bylo vakuum. Dosaďte místo Země nabité těleso, místo kilovky nabitou kuličku jednou blíž a jednou dál a opět můžeme říci, že v těchto dvou bodech bude mít nabitá kulička rozdílnou potenciální elektrickou energii, rozdíl těchto energií přepočtený na 1 coulomb, tj. třeba 6 J/C, což je ve voltech 6V. Je to "elektrické napětí" mezi těmito dvěma místy pole. I zde charakterizuje elektrické napětí ROZDÍL STAVŮ mezi dvěma místy elektrického pole. (Svým žákům vždycky říkám, že když ukazují na nějaké napětí, potřebují k tomu dva prsty, aby ukázali ta dvě místa) Nic "molekulárního" si tomu představit opět nedovedu, to co jsem popsal platí i když je to elektrické pole ve vakuu. To napětí mezi dvěma místy vodiče se dá vytvořit různé, připojením článku, pohybem magnetu v okolí, atd.

Ke 2. otázce: Co znamená opačná fáze napětí na vstupu a výstupu zesilovače?
Opět to zkusím s mechanickou analogií. Představte si spojitou nádobu tvaru písmene U s vodou, kde pravé rameno bude mít velký průřez a levé malý, něco jako kropicí konev. Když pustím do konve nějaký "vstupní signál" - v širokém rameni budu například pajtlovat pístem 1 cm dolů a 1 cm nahoru od rovnovážné polohy, bude "mechanické napětí" mezi rovnovážnou polohou a okamžitou polohou kmitat od 0 J/kg do -0,1 J/kg (píst dole) k 0 J/kg (píst při návratu uprostřed) až k +0,1 J/kg (píst nahoře). V sousední úzké rouře (tj. "výstup zesilovače" dejme tomu s plochou průřezu 10krát menší) bude voda kmitat 10 cm nahoru a 10 cm dolů, tj. s vyšším napětím , které bude kolísat nejdřív nahoru od 0 J/kg k + 1 J/kg , potom přes nulu dolů k -1 J/kg atd. Tento zesilovač pracuje s desetinásobným zesílením, vstupní signál má opačnou fázi než výstupní (když jde píst v konvi dolů, stoupá hladina v úzké rouře nahoru a obráceně). Co je vstup, plyne ze znalosti českého jazyka. Vstupem může např. být napětí z mikrofonu, které přivádím na vstupní svorky zesilovače, výstup je napětí, které ze zesilovače přivádím třeba na svorky reproduktorů.

Ke 3. otázce: Jak si představit střídavý proud?
Do třetice s mechanickým modelem. V hadici, ve které jsou oba konce napojeny na vstup a výstup čerpadla, proudí voda stejnosměrně kolem dokola. Teď elektromotorek toho čerpadla budu krmit tak, aby chvíli čerpalo zleva doprava a potom zprava doleva. Vodní proud poteče chvilku doleva, chvilku doprava. Proud bude střídavý, ovšem ne sinusový ale zhruba obdélníkového průběhu. Sinusový průběh vodního proudu bychom mohli v této trubici docílit třeba tak, že bychom čerpadlo odstranili, konce propojili a po kusu hadice jezdili sem tam sinusově (jako při kývání kyvadla) válečkem na nudle. Z mikrofyzikálního pohledu (opět velmi primitivního) na elektrický proud doplňuji, co už jednou v Odpovědně zaznělo.
Opakuji: "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 (odstartují najednou). Samozřejmě po sepnutí obvodu se nechovají jako účastníci májového průvodu, kteří udělají vpravo vbok a jdou ukázněně směrem, kterým je žene pole, ale spíše tak jak naznačuji svým žákům modelem: Nositelé nábojů představují hemžící se mravence v mraveništi, kde vytvořím pachové pole tím, že na jednu stravu mraveniště dám lákavý med a na druhou něco smradlavého (otevřu tam třeba lahvičku se čpavkem). Tím mezi těmito dvěma body bude "smradové napětí". Díky smradovému poli hemžení neustane, nebude ale zcela souměrně chaotické (středová rychlost nebude 0), ale bude trošičku převládat směr rychlosti mravenců k medu. Kam pocestují, tj. jaký je směr proudu, když smradové pole vyměním, je snad jasné. Samozřejmě mohu to smradové pole střídat a proud mravenců pak bude střídavý."
Ve vodiči je to chaotické hemžení částic - nosičů náboje velmi velkou rychlostí, závislou na teplotě, ta usměrněná rychlost (složka rychlosti) je ve srovnání s tím strašně prťavá, závislá pro daný vodič mj. na napětí mezi jeho konci.

(M.Rojko)   >>>  

11) Tranzistor versus tyristor04. 01. 2004

Dotaz: Dobrý den, chtěl bych se zeptat: Jak nejstručnějí popsat rozdíl mezi tranzistorem a tyristorem? (Čenda)

Odpověď: Klasický bipolární tranzistor (existují i jiné druhy tranzistorů) se skládá ze dvou přechodů PN tvořených třemi vrstvami polovodičů s různým typem vodivosti. Podle uspořádání těchto vrstev se tyto tranzistory rozdělují na PNP a NPN. Bipolární tranzistor má tři vývody: kolektor (C), bázi (B) a emitor (E). Pokud jej zapojíme do série (vývody C-E) se žárovkou (spotřebičem) do obvodu stejnosměrného proudu, můžeme tranzistor sepnout (a tím rozsvítit i žárovku) malým proudem protékajícím přechodem báze-emitor (B-E). Tento proud stačí řádově 100-krát menší než je proud žárovkou. Žárovka přitom svítí pouze pokud protéká proud přechodem B-E. Pro další informace a schemata viz např. zapojení se společným emitorem v (viz skripta z elektroniky). Při zmenšovaní řídícího proudu přechodem B-E se od jeho určité hodnoty tranzistor zavírá - zmenšuje i proud žárovkou, tranzistor pak pracuje v zesilovacím režimu. V tomto režimu je možno řídit velký proud mezi C-E pomocí malého (řádově 100-krát menšího) proudu mezi B-E.
Tyristor je vícevrstvá polovodičová součástka určena pouze pro spínací účely. Má (podobně jako tranzistor) tři vývody: anodu (A), katodu (K) a řídící elektrodu (G). Pokud jej zapojíme do série (vývody A-K) se žárovkou (spotřebičem) do obvodu stejnosměrného proudu, můžeme tyristor sepnout (a tím rozsvítit i žárovku) proudovým impulzem mezi řidící elektrodou (G) a katodou (K). Po ukončení proudového impulzu zůstane (pokud je proud žárovkou dostatečný) tyristor sepnutý a žárovka rozsvícena. Vypneme ji pouze přerušením napájení (nebo komplikovanějším způsobem pomocí obvodu paralelně zapojeného k tyristoru). V obvodu střídavého nebo pulzujícího proudu je tyristor vypnut při průchodu okamžité hodnoty proudu nulou (takhle to např. funguje ve stmívačích osvětlení).
Z hlediska použití je tedy možno tranzistor i tyristor použít jako spínač, kdy malým proudem bází nebo proudovým impulzem řídící elektrodou ovládáme velký proud protékající spotřebičem. Tranzistor je navíc možno použít jako zesilovač. Tyristor na rozdíl od tranzistoru zůstává sepnutý (“vede“) i po odeznění ovládacího proudu, proud tyristorem musí být přerušen jiným způsobem.
(RNDr. Peter Žilavý, Ph.D.)   >>>  

12) Vlastní polovodič a Fermiho hladina18. 11. 2003

Dotaz: Dobrý deň, chcel by som sa spytat ako to je s Fermiho hladinov pri polovodičoch. Pravdepodobnost obsadenia Fermiho hladiny je 0,5. Ak sa Fermiho hladina nachádza v intrinzickom polovodiči niekde v strede zakázaného pásma, ako može byt pravdepodobnost jej obsadenia 50%? (Igor)

Odpověď: Intrinsický (neboli vlastní) polovodič je polovodič bez příměsí a vlastních defektů. Poloha Fermiho hladiny Ef = -Eg/2+1/2kT ln(mh/me), kde Eg je šířka zakázaného pásu a mh(me) je efektivní hmotnost děr (elektronů). Tato hladina má pravděpodobnost obsazení 1/2. Koncentrace např. elektronů je však dána součinem pravděpodobnosti obsazení a hustoty stavů. V zakázaném pásu je hustota stavů nulová. Na Ef se může vyskytovat elektron, pokud existuje nějaká hladina, která splývá s Ef.
(Doc. RNDr. Jiří Toušek, CSc.)   >>>  

13) Vodivostní pás a vedení elektrického proudu14. 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.
(Doc. RNDr. Miloš Rotter, CSc.)   >>>  

14) Jak vypadá pohyb částic el. proudu?15. 09. 2003

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.
(M.Rojko)   >>>