Súčiastky bez PN prechodu: Princíp, typy a využitie

Polovodičové súčiastky bez PN prechodu predstavujú dôležitú oblasť elektroniky. V tomto článku sa zameriame na princíp PN prechodu, jeho využitie v tranzistoroch a charakteristiku rôznych typov polovodičových súčiastok, vrátane tých, ktoré PN prechod nevyužívajú.

Princíp PN prechodu

PN prechod je rozhranie medzi polovodičom typu P a polovodičom typu N. Je dôležité zdôrazniť, že PN prechod nevzniká mechanickým spojením týchto dvoch typov polovodičov, ale špeciálnymi technologickými postupmi.

Vznik a vlastnosti PN prechodu

Po vytvorení PN prechodu dochádza k difúznemu pohybu majoritných nosičov náboja (dier v P-type a elektrónov v N-type) smerom k priechodu. V oblasti priechodu rekombinujú, čím vznikajú ióny a tzv. vyprázdnená oblasť, známa aj ako potenciálová bariéra. Na PN prechode pôsobí difúzne napätie, ktoré bráni ďalšiemu prechodu majoritných nosičov cez priechod. Umožňuje však prechod minoritných nosičov. Difúzne napätie sa nedá odviesť z kryštalickej mriežky, pretože je tvorené nosičmi priamo v mriežke.

Polarizácia PN prechodu

Samotný PN prechod je pre praktické využitie nepostačujúci. Preto sa na oblasti P a N typu nanášajú kovové vrstvičky (napríklad naparovaním), na ktoré sa pripájajú vývody. Týmto spôsobom je možné PN prechod pripojiť na vonkajšie jednosmerné napätie, čo sa nazýva polarizácia PN prechodu.

Priama polarizácia

Pri priamej polarizácii sú majoritné nosiče odpudzované od elektród smerom k vyprázdnenej oblasti, ktorá sa postupne zmenšuje, až zanikne. Nosiče tak môžu voľne prechádzať cez priechod a obvodom preteká prúd If.

Prečítajte si tiež: Súčiastky bez PN priechodu

Inverzná polarizácia

Pri inverznej polarizácii sa polarita napätia obráti, čím sa potenciálová bariéra medzi P a N oblasťou zväčšuje a vyprázdnená oblasť sa rozširuje. Majoritné nosiče nemôžu prejsť cez PN prechod, a preto prúd obvodom nepreteká.

Tranzistory

Tranzistory sú polovodičové súčiastky, ktoré využívajú vlastnosti PN prechodu na zosilňovanie alebo spínanie elektronického signálu. Existujú dva základné typy tranzistorov: bipolárne a unipolárne (poľom riadené).

Bipolárne tranzistory

Bipolárne tranzistory využívajú dva nosiče náboja (elektróny a diery). Skladajú sa z dvoch PN prechodov oddelených tenkou vrstvou polovodiča. Tranzistor pracuje len vtedy, ak sú PN prechody správne polarizované.

Unipolárne tranzistory (FET)

Unipolárne tranzistory, známe aj ako tranzistory riadené poľom (FET), sa od bipolárnych líšia tým, že nemajú dva PN prechody a využívajú len jeden druh nosičov náboja (buď elektróny alebo diery). Prúd tranzistorom sa ovláda vonkajším napätím.

Fotoelektrické súčiastky

Fotoelektrické súčiastky využívajú fotoelektrický jav, teda premenu svetelnej energie na elektrickú energiu. Táto premena sa prejavuje ako zmena elektrických vlastností, zmena vodivosti alebo vznik fotoelektromotorického napätia.

Prečítajte si tiež: Dióda s PN prechodom

Rozdelenie fotoelektrických prvkov

• Aktívne: Fotočlánky (solárne batérie) - slúžia ako zdroj elektrickej energie.
• Pasívne: Fotorezistory, fotodiódy, fototranzistory, fototyristory - menia svoje elektrické vlastnosti v závislosti od osvetlenia.

Fotorezistor

Fotorezistor (LDR) je polovodičová súčiastka, ktorej odpor sa mení v závislosti od intenzity osvetlenia. Na výrobu fotorezistorov citlivých na viditeľné svetlo sa používa sírnik kadmia (CdS).

Výhody fotorezistora

• Nízka cena
• Veľká citlivosť na dopadajúce žiarenie
• Veľký pomer odporov pri osvetlení a za tmy

Nevýhody fotorezistora

• Veľká teplotná závislosť
• Zotrvačnosť (pomalé zmeny elektrických vlastností pri rýchlych zmenách osvetlenia)

Využitie fotorezistora

• Jednoduchý fotospínač

Fotodióda

Fotodióda je polovodičová súčiastka, ktorá je usporiadaná tak, aby na PN priechod mohlo dopadať svetlo.

Režimy práce fotodiódy

• Odporový režim: Využíva vlastnosti PN priechodu polarizovaného v spätnom smere. Záverný prúd IR sa mení v závislosti od intenzity osvetlenia. Fotodióda sa správa ako odpor ovládaný osvetlením.
• Hradlový režim: Priama premena svetelnej energie na elektrickú energiu. Fotodióda sa správa ako zdroj jednosmerného napätia, ktorého hodnota závisí od intenzity osvetlenia.

Fototranzistor

Fototranzistory sú polovodičové súčiastky, ktoré využívajú fotoelektrický tranzistorový jav. Ide o bipolárne tranzistory, ktoré môžu, ale nemusia mať vyvedenú bázu. Konštrukčne sú usporiadané tak, aby cez puzdro mohlo dopadnúť svetlo, čím sa menia ich vlastnosti.

Využitie fototranzistora

• Fotoblesky
• Elektronické závory

Fototyristor

Fototyristory sú polovodičové súčiastky, ktoré sú z hľadiska vyhotovenia a činnosti rovnaké ako bežné tyristory.

Svetelná dióda (LED)

Svetelná dióda (LED) nie je prijímačom svetla, ale jeho zdrojom. Používa sa na indikáciu stavu.

Prečítajte si tiež: Dôležité Aspekty Kúpnej Zmluvy

Zobrazovacie jednotky

Zobrazovacie jednotky, najčastejšie 7-segmentové, sa používajú na zobrazovanie čísiel, písmen a iných znakov. Jeden segment sa skladá z 1 až 3 LED diód.

Využitie zobrazovacích jednotiek

• Elektrické prístroje
• Elektrické hodiny
• Elektrické kalkulačky

Optoelektronické spájacie členy - Optróny

Optróny vznikajú spojením LED diódy a fotorezistora alebo LED diódy a fototranzistora do uzavretého priestoru. Sú vhodné ako spájací člen dvoch elektronických obvodov, ktoré pracujú s rôznymi napäťovými úrovňami.

Využitie optoelektroniky

• Zapojenie na meranie osvetlenia
• Riadenie svetla

Diódy

Dióda je elektrotechnická súčiastka s dvoma elektródami (anóda a katóda), ktorá sa vyznačuje odlišnou Volt-Ampérovou charakteristikou v závislosti od polarity priloženého napätia. Po pripojení anódy na kladnejšie napätie ako je na katóde, kladie dióda malý odpor priechodu elektrickému prúdu. Pri opačnom zapojení je dióda takmer nevodivá.

Polovodičová dióda

Polovodičová dióda sa skladá z dvoch prímesových polovodičov - polovodiča typu N (katóda) a polovodiča typu P (anóda). Základom diódy býva germániová alebo kremíková doštička, obohatená z jednej strany o prvok s piatimi valenčnými elektrónmi (fosfor, arzén) a z druhej strany o prvok s tromi valenčnými elektrónmi (bór, hliník, gálium, indium).

Prahové napätie

Prahové napätie UP je napätie v priepustnom smere, pri ktorom diódou začína prechádzať prúd IF (UF> UP). Pre kremíkové diódy sa pohybuje okolo 0,6-0,7 V.

Zenerova dióda

Je kremíková plošná polovodičová dióda s veľmi tenkým priechodom PN. Pri pôsobení napätia UR v závernom smere vzniká vo vyprázdnenej oblasti veľká intenzita elektrostatického poľa, ktorá spôsobuje vytrhávanie elektrónov z väzieb kryštálovej mriežky. Pri dosiahnutí určitého napätia UR v závernom smere nastane nedeštruktívny prieraz a prudko stúpne prúd IR. Tento druh prierazu sa nazýva Zenerov prieraz. Napätie, pri ktorom nastáva tento prieraz, sa nazýva Zenerovo napätie Uz. Priemyselne vyrábané Zenerove diódy sa konštruujú s ohľadom na určitú konkrétnu hodnotu Zenerovho napätia UZ.

Schottkyho dióda

Je polovodičová dióda využívajúca usmerňovacie vlastnosti priechodu kov-polovodič. Schottkyho diódy sú veľmi rýchle (reverse recovery time v jednotkách ns). Vedenia prúdu sa v Schottkyho dióde zúčastňujú len majoritné nosiče a pri difúzii sa na okrajoch hradlovej vrstvy nekumulujú minoritné nosiče, preto je čas medzi vznikom a zánikom hradlovej vrstvy značne menší.

Tunelová dióda (Esakiho dióda)

Je polovodičová dióda, ktorá sa vyrába zo silne dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Pri spätnom zapojení sa chová ako lineárny rezistor s malým odporom. Oblasť VA charakteristiky so záporným dynamickým odporom vzniká vplyvom tunelového javu. Tunelové diódy sa používajú v oscilátoroch a zosilňovačoch až do veľmi vysokých frekvencií (f = 10GHz).

Svetelná dióda (LED)

Svietiaci jav vzniká následkom žiarivej rekombinácie elektrónovo-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. LED sa tradične používajú najmä ako indikátory a ako zobrazovacie prvky v segmentových zobrazovačoch a bodových maticových zobrazovačoch. V poslednom čase s nástupom vysokosvietivých LED sa začalo ich využívanie na osvetľovacie účely a v dopravnej svetelnej signalizácii.

Fotodióda

Fotodióda je plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN priechodu prenikalo svetlo. Vplyv osvetlenia PN priechodu môžeme sledovať v polarizácii diódy v závernom smere, kedy dochádza k lineárnemu rastu anódového prúdu pri rovnomernom zväčšovaní osvetlenia.

Varikap (kapacitná dióda)

Je špeciálna polovodičová dióda slúžiaca ako napätím riadený kondenzátor. Šírka priechodu PN (hradlovej vrstvy) je v závernom smere závislá na napätí. S rastúcim napätím sa hradlová vrstva rozširuje, zatiaľ čo kapacita priechodu klesá. Varikapy sa používajú v ladených obvodoch a iných obvodoch vyžadujúcich premennú kapacitu.

Usmerňovací mostík

Prúd môže diódou prechádzať iba v jednom smere. Striedavý prúd prechádza v jednej polovici periódy prvou dvojicou diód, v druhej polovici periódy druhou dvojicou diód, pričom smer prúdu vystupujúceho z mostíka je stále rovnaký. Pre vyhladenie napätia sa používa tzv. filtračný kondenzátor.

Súčiastky bez PN prechodu

Hoci PN prechod je základným stavebným prvkom mnohých polovodičových súčiastok, existujú aj také, ktoré ho nevyužívajú. Medzi ne patria napríklad termistory, magnetorezistory a Hallove články.

Termistor

Termistor je polovodičová súčiastka bez PN prechodu, vyrobená z polykryštalického materiálu, ktorého odpor závisí od teploty. Poznámé dva typy: NTC (odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou) a PTC (odpor rastie so zvyšujúcou sa teplotou).

Využitie termistorov

• Počítanie predmetov na dopravníkoch
• Meranie otáčok motora

Magnetorezistor

Magnetorezistor je dvojpólová súčiastka, ktorej odpor závisí od indukcie magnetického poľa. Ak sa nezmení magnetická indukcia, nezmení sa ani odpor.

Hallov článok

Princíp Hallovho článku je založený na Hallovom jave - polovodičovým plátkom prechádza prúd. Kolmo na rovinu plátku pôsobí magnetické pole s indukciou B, ktorá spôsobí, že v smere kolmom na smer prúdu sa objaví rozdiel potenciálov.

LED dióda - detailný pohľad

LED dióda je elektronická polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje P-N prechod. Táto technológia je stará viac ako 40 rokov, ale až teraz je ich výroba masovo rozširovaná. Jednak je technologicky úplne na inej úrovni, svetelný tok sa vyrovná alebo dokonca prekoná iná konvenčné svietidlá a náklady na výrobu sú stlačené na minimum.

Princíp fungovania LED diódy

LED dióda vyžaruje svetlo práve vďaka P-N prechodu, ktorým prechádza elektrický prúd. Oficiálny slovenský názov znie elektroluminiscenčná dióda. Diódy sú väčšinou vybavené tzv. optickým prvkom pre lepší rozptyl svetla. Jedná sa o guľové vrchlíkmi z epoxidové pryskyřice.

Zloženie LED diódy

Kladný náboj je privádzaný vodičom cez anódu LED diódy do vlákna. Druhá časť diódy je zapojená k vodivému rámu vedúcemu z katódy k zápornému pólu. O farbe vyžarovaného svetla rozhoduje chemické zloženie LED polovodiče. Epoxidová živica, v ktorej sa celé LED svetlo nachádza, má tri hlavné funkcie:

• Dovoluje priechod maximálnemu množstvo svetla
• Upravuje uhol, pod ktorým sa svetlo šíri
• Chráni LED pred vplyvmi okolia

Vďaka zapuzdrenie je LED dióda takmer nezničiteľná a neobsahuje žiadne voľne pohyblivé časti.

Vývoj LED diód

Pomerne dlho trval vývoj LED diód emitujúce modrej a vysoko svietivé biele svetlo. To z princípu fungovania LED nemožno priamo vyžarovať. Staršie bielo žiariace ledky tak obsahovali trojicu čipov miešajúca farby tak aby bolo dosiahnuté vnemu bieleho svetla.

Luminofor v LED diódach

Pretože nie je možné priamo emitovať biele svetlo, využívajú LED diódy tzv. Luminoforu. Niektoré priehľadné LED emitujú modré svetlo, časť tohto svetla je priamo na čipe transformovaná luminoforom na žlté svetlo a vďaka miešaniu týchto dvoch farieb vzniká svetlo bielej.

Farebné spektrum LED diód

LED vie vyžarovať jednofarebné svetlo v rámci spektra. Maximálna vlnová dĺžka je určená vlastnosťami materiálu, z ktorého sa skladá LED čip. LED prvky sú vyrábané zo zlúčenín gália a spravidla obsahujú jeden alebo viac ďalších materiálov (napr. Fosfor), ktoré spôsobujú požadovanú farebnosť svetla.

RGB LED diódy

Biele svetlo vzniká prekrytím všetkých častí viditeľného spektra. Ľudské oko však nepotrebuje všetky časti spektra na to, aby videlo svetlo ako biele. Stačí k tomu zmes troch základných farieb: červenej, zelenej a modrej. Z tejto kombinácie farieb sa dá namiešať akákoľvek iná farba. RGB LED dióda je zložená zo všetkých 3 farieb a je preto možné pomocou tejto jedinej spoločnej dióde dosiahnuť širokého spektra rôznych farieb. Rovnaký spôsob sa používa u monitorov a televízií.

Svetelný výkon LED diód

Svetelný výkon závisí na mnohých veličinách, napríklad druh čipu, zapuzdrenie a účinnost doštičiek. Niektorí výrobcovia používajú na označenie intensity svetla termíny ako "super-bright" a "ultra-bright". Takéto označenia sú však subjektívne, pretože neexistuje priemyselný štandard pre označenie svietivosti LED. Svietivosť je úmerná prechádzajúcemu prúdu (If) LED čipom; platí, že čím väčšie množstvo prúdu, tým väčšie množstvo produkovaného svetla.

Prúd a teplo v LED diódach

LED dióda je navrhnutá na priechod 20mA prúdu ale každé použitie má svoje obmedzenia. Čím vyšší prúd tým aj vyššie množstvo produkovaného tepla. Podobne, vyšší počet LED komponentov na čipe prispieva k teplotnému namáhaniu súčiastok. Nárast napätia znamená aj väčšie množstvo odpadového tepla.

Vyžarovací uhol a zapuzdrenie LED diód

Vyžarovací uhol závisí od druhu LED čipe a šošovke z epoxidovej živice ktorá láme svetlo a tiež na umiestnenie LED diód v svietidle. Svetelný tok z LED je smerový a preto pre vyšší svetelný výkon sa svetlo sústredí do úzkeho lúča. Zapuzdrenie je navrhnuté tak, aby slúžilo ako zosilňovacou šošovka pre svetlo vychádzajúce z LED čipu. Na viditeľnosti vyžarovaného svetla sa podieľa tiež farba zapuzdrenie. Difúzny úprava umožňuje rozptyl svetla v celom zapuzdrenie.

Životnosť LED diód

V priemere sa životnosť pohybuje okolo 50 000 hodín. Ak si kúpite žiarovku o životnosti 40 000 hodín a budete svietiť 4 hodiny denne, žiarovka by Vám mala vydržať až 27 rokov. Aby LED osvetlenie vydržalo čo najdlhšie, je potrebné zabezpečiť optimálne chladenie.

Polarita LED diód

Na rozdiel od iných svetelných zdrojov, u ktorých nezáleží na polarite vstupného napätia a tým pádom pracujú na striedavom napätí, LED zapojené nesprávnym smerom nefungujú. Ak je napätie na P-N prechodu zapojených správne, nazývame zapojenie diódy v priepustnom smere. Ak je zapojená opačne, neprechádza cez ňu žiadny prúd a hovoríme, že je zapojená v závernom smere.

AC COB diódy

V posledných rokoch sa na trhu začínajú objavovať tzv. AC COB diódy, fungujúci na striedavé napätie. V tomto prípade je rozsvietená len polovica periódy. Rozsvícejí sa a zhasínajú s frekvenciou striedavého zdroja.

Prúd a jas v LED diódach

U LED diód platí pravidlo: čím vyšší prúd do nich pustíme, tým jasnejšie svieti. Najčastejšie je dióda nastavená pomocou predradného odporu.

Bezpečnostné opatrenia pri manipulácii s LED diódami

• Statická elektrina a prúdový náraz poškodzujú LED. Odporúča sa používať protistatický náramok alebo rukavicu pri manipulácii s LED svetlami.
• Vodiče by mali byť zahnuté aspoň 3mm od epoxidového zapuzdrenie svetla.
• Vodiče by mali byť upravené tak, aby zodpovedali pripraveným otvorom v doske s plošnými spojmi.
• LED je vhodné podložiť a upevniť do požadovanej pozície.
• Epoxidové zapuzdrenie by sa nemalo dotýkať dosky, aby nedošlo k mechanickému namáhaniu LED.
• Pre tvrdé spájkovanie je možné, že bude potrebné LED upevniť do správnej pozície, zároveň je nutné vyvarovať sa mechanickému zaťaženiu.
• Zabráňte kontaktu s korozívnymi chemikáliami ktoré môžu poškodiť povrch LED a spôsobiť odfarbenie.
• Vhodnosť čistenie LED ultrazvukom závisí od nastavenia oscilátora a spôsobu pripojenia LED.
• Vodiče LED sú potiahnuté striebrom a v prípade vystavenia plynom ako sírovodík môže dôjsť k odfarbeniu vodičov.
• Pri inštalácii viacerých LED na menšiu plochu je nutné počítať s odpadovým teplom. Ak existuje možnosť, že okolitá teplota bude prekračovať 60`C, je vhodné zvážiť možnosti chladenia.
• Povrch LED je možné v prípade nutnosti ľahko zotrieť za použitia izopropyl alkoholu.

tags: #suciastky #bez #pn #prechodu #princíp