fizyka atomowa

P R Z E W O D N I K I , I Z O L A T O R Y , P Ó Ł P R Z E W O D N I K I

D I O D A

T R A N Z Y S T O R

FIZYKA ATOMOWA

PRZEWODNIKI

Przewodniki to materiały bardzo dobrze

przewodzące prąd elektryczny. Liczną
grupę przewodników stanowią przewodniki
pierwszego rodzaju tj. przewodniki char. się

przewodnictwem elektronowym. W

przewodnikach tego rodzaju nośnikami

ładunku elektrycznego są słabo związane
elektrony walencyjne w atomach (elektrony z

ostatnich powłok atomowych) nazywane

elektronami swobodnymi lub elektronami
przewodnictwa. Mniej liczną grupę stanowią

przewodniki drugiego rodzaju tj.

charakteryzujące się przewodnictwem jonowym,

w których swobodnymi nośnikami ładunku są
jony, czyli dodatnio lub ujemnie naładowane

atomy.

Do tej grupy zaliczamy m.in.:
•metale (np. srebro, złoto, miedź, aluminium),

•grafit,

•roztwory zasad, kwasów i soli,

•ciało człowieka

IZOLATORY

Izolatory, zwane także dielektrykami,
to grupa materiałów nieprzewodzących
lub bardzo słabo przewodzących prąd
elektryczny. Sytuacja ta wynika głównie z

braku lub obecności bardzo małej liczby

elektronów swobodnych, zdolnych do

poruszania się wewnątrz takiego materiału
(elektrony w izolatorach są silnie związane z

atomami).

 Do grupy izolatorów zaliczamy m.in.:
 tworzywa sztuczne (np. plastik, guma),
 drewno,
 ceramikę,
 wodę destylowaną.

Multiple Select

Wybierz przewodniki:

• grafit

• woda destylowana

• drewno

• aluminium

• plastik

PÓŁPRZEWODNIKI

Pośrednie miejsce między przewodnikami i
izolatorami, pod względem przewodnictwa

elektrycznego, zajmują półprzewodniki. Na ogół

materiały te posiadają małą liczbę elektronów

przewodnictwa. Stan ten można jednak bardzo

łatwo zmienić w procesie zwanym domieszkowaniem.

Domieszkowanie polega na wprowadzaniu do
materiału półprzewodnikowego obcych atomów,
nazywanych domieszkami, które mogą dostarczyć

swobodnych elektronów lub tzw. dziur,

zachowujących się jak dodatnie nośniki ładunku

elektrycznego.

Do grupy
półprzewodników
zaliczamy m.in.:
• krzem,
• german,
• arsenek galu.

METODA CZOCHRALSKIEGO

Technika otrzymywania monokryształów opracowana przez polskiego chemika Jana Czochralskiego. Jest ona najstarszą i jedną z najpowszechniej stosowanych na świecie metod wytwarzania monokryształów półmetali, zwłaszcza krzemu do produkcji półprzewodników, metali i ich stopów.

Otrzymywanie monokryształu polega na włożeniu do roztopionego materiału zarodka krystalicznego i następnie powolnym i stopniowym wyciąganiu go z roztopu, w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ. Wymiary (średnica i długość) oraz kształt hodowanego kryształu kontrolowane są prędkością przesuwu i prędkością obrotową zarodka, ograniczone są jednak parametrami układu zastosowanego do hodowli.

DIODA

Dioda to element półprzewodnikowy, który
działa jak przełącznik przepuszczający prąd w
jednym kierunku. Umożliwia łatwy przepływ
prądu w jednym kierunku i znacznie utrudnia

jego przepływ w przeciwnym kierunku.

Diody są też nazywane prostownikami,

ponieważ zamieniają prąd przemienny (AC) na
tętniący prąd stały (DC). Diody są klasyfikowane

zależnie od typu, napięcia i obciążalności

prądowej.

Diody mają polaryzacją określoną
przez anodę (końcówka dodatnia)

i katodę (końcówka ujemna). Większość diod
zezwala na przepływ prądu tylko wówczas, gdy

do anody jest przyłożone napięcie dodatnie.

Multiple Choice

W jaki sposób diody zamieniają prąd?

• Z przemiennego na stały

• Ze stałego na przemienny

DIODA LED

Sercem każdej z diody LED jest dioda półprzewodnikowa. Podczas
przepływu przez diodę elektrony zmniejszają swoją energię. W diodach

LED tracona energia jest emitowana w postaci fotonów.

W zależności od rodzaju materiału, z jakiego zrobione są diody i w

zależności od odległości, jaką elektrony mają do przeskoczenia między

warstwami, powstaje światło o konkretnej długości fali, czyli w

konkretnym kolorze. Na przykład czerwonym.

Niestety materiał, z którego wykonany jest półprzewodnik jest

nieprzeźroczysty, więc fotonom nie jest wcale tak łatwo się

wydostać. Odbijają się one od ścianek, tracąc energię i tylko

części z nich udaje się faktycznie wydostać na zewnątrz generując

światło, które możemy zobaczyć.

Naukowcy nieustannie pracują nad taką strukturą półprzewodników,

aby fotonom jak najłatwiej było się wydostać. Trwają tez prace nad

stworzeniem przeźroczystych półprzewodników.

CZYM JEST TRANZYSTOR?

Tranzystor to półprzewodnikowy

element elektroniczny, który umożliwia

sterowanie prądem elektrycznym
płynącym w obwodzie bez potrzeby
bezpośredniego rozłączania i łączenia

przewodów.

Za jego pomocą można otwierać lub

zamykać obwód elektryczny, regulować

natężenie prądu w obwodzie lub
sterować układami logicznymi
będącymi podstawa działania

komputerów.

Tranzystory umożliwiają osiąganie
niewyobrażalnej szybkości zmian

sygnałów elektrycznych (miliardy w

ciągu sekundy) w obwodach
sterowanych za ich pomocą.

Multiple Choice

Jakie są główne działania tranzystora?

• Jest potrzebny do działania komputera

• Wzmacnianie sygnału elektrycznego i regulowanie natężenia prądu

• Sterowanie układami logicznymi

• Regulowanie napięcia w urządzeniach elektrycznych

BUDOWA TRANZYSTORA

Działanie tranzystora omówię na

przykładzie tzw. tranzystora

polowego. Na podłoże z

półprzewodnika typu p w dwóch

miejscach nałożony jest

półprzewodnik typu n. Część

tranzystora znajdująca się między

tymi obszarami nazywa

się kanałem.

Kanał pokryty jest cienką warstwą izolatora, do którego przylega elektroda zwana

bramką (litera G). Dwie pozostałe elektrody (oznaczone S i D) służą do wpięcia

tranzystora w obwód elektryczny, w którym chcemy kontrolować przepływ prądu.

DZIAŁANIE TRANZYSTORA

Tranzystor stanowi układ dwóch złączy p-n. Elektrony
w obszarze typu p mają za małą energię, aby przejść
do obszaru typu n. Prąd między elektrodami S i D nie
może płynąć w żadną stronę. Sytuacja zmieni się, gdy
miedzy bramką i kanałem przyłożymy napięcie tak, że
„+" będzie na bramce. Powstanie pole elektryczne,
które będzie przyciągać do kanału elektrony z
pozostałych obszarów. Te elektrony mogą tworzyć
prąd elektryczny miedzy elektrodami S i D. Poprzez
zmianę napięcia miedzy kanałem a bramką (tzw.
napięcie

sterujące)

można

regulować

liczbę

elektronów swobodnych w kanale. W ten sposób
można zmieniać natężenie prądu płynącego przez
tranzystor.

ZASTOSOWANIE TRANZYSTORÓW

Są

one

m.in.

głównym

elementem

wzmacniaczy

akustycznych. Słaby sygnał elektryczny obecny na wyjściu
gniazda słuchawkowego w smartfonach wystarcza do
działania miniaturowych głośników w słuchawkach. Za ich
pomocą

można,

także

sterować

dużymi

prądami

elektrycznymi płynącymi w silnikach tramwajów czy
lokomotyw elektrycznych. Tranzystory można znaleźć
także w rozrusznikach serca, aparatach słuchowych,
aparatach fotograficznych, kalkulatorach i zegarkach.
Większość tych urządzeń czerpie energię z małych baterii.
Większość statków kosmicznych również opiera się na
tranzystorach. Tranzystor jest prawdziwą „komórką
nerwową” ery informacji. Tranzystory wykorzystywane do
przetwarzania informacji w układach elektronicznych
mogą być bardzo małe. Waśnie dzięki temu mamy dziś
możliwość budowy komputerów wykonujących miliardy
operacji na sekundę.

Multiple Choice

W czym możemy znaleźć tranzystory?

• W samolotach

• W zmywarkach

• W rozrusznikach serca

• W okablowaniach domów