21-11 Kryštalické usmerňovače prúdu

21-1 Kladné a záporné ióny; 21-2 Faradayove zákony; 21-3 Vedenie elektrického prúdu v plynoch; 21-4 Vzťah medzi hmotnosťou a nábojom elektrónu; 21-5 Elektrický náboj a hmotnosť elektrónu; 21-6 Thomsonov model atómu ; 21-7 Rutherfordov model atómu; 21-8 Elektrická vodivosť v pevných látkach; 21-9 Polovodiče; 21-10 Termická emisia; 21-11 Kryštalické usmerňovače prúdu; 21-12 Tranzistory; 21-1 Solárne panely a rádioaktívne zdroje prúdu;

Úlohy

21-10 Termická emisia

21-11 Kryštalické usmerňovače prúdu

Predstavme si teraz, že k sebe pritlačíme dva kryštály: jeden, typu $n,$ ktorý obsahuje voľné nosiče náboja, a jeden typu $p$ s dierami (obr. 21.11).

pohyb dier — Obr. 21.11:Pohyb elektrónov a dier skrz $p - n$ prechod. (a) Ak elektrické pole ukazuje od $p$ k $n$ , cez prechod tečie konštantný prúd. (b) V opačnom prípade, pri elektrickom poli smerujúcom od $n$ k $p,$ elektrické pole netečie.

Z vrstvy typu $n$ prejde (predifunduje) niekoľko elektrónov do vrstvy typu $p$ , a naopak, niekoľko dier z vrstvy $p$ predifunduje do vrstvy typu $n .$ Takto sa stane kryštál typu $n$ mierne kladným, a kryštál typu $p$ sa stane mierne záporným. Na hraničnej ploche (tzv. $n - p$ prechod) má na oboch stranách opačný elektrický náboj, medzi ktorými pôsobí elektrická príťažlivá sila, ktorá zabráni ďalšej difúzii, a stav sa stabilizuje s určitým počtom dier v kryštáli typu $n$ a s určitým počtom elektrónov v kryštáli typu $p .$ Pamätajme ale na to, že ak v tej istej látke sa nachádzajú voľné elektróny a diery po elektrónoch, tie sa vzájomne môžu „zničiť“ (rekombinácia) – voľné elektróny zaplnia diery. Strata spôsobená rekombináciou umožní, aby $n - p$ prechodom neustále prechádzalo niekoľko elektrónov a dier – v smere, aby sa znova obnovila rovnováha.

Pozrime sa, že čo sa stane, ak na dvojicu kryštálov pripojíme elektrické napätie. Ak kladný pól zdroja pripojíme ku kryštálu typu $p$ (ktorý sa stal vďaka difúzii mierne záporným), a záporný pripojíme ku kryštálu typu $n$ (obr. 21.11a), elektrická sila diery bude ťahať doprava (do oblasti typu $n$ ), a elektróny doľava (do oblasti typu $p$ ). Diery v oblasti typu $n$ sa však rekombinujú s elektrónmi rovnako, ako elektróny sa rekombinujú s dierami v oblasti typu $n$ – uvoľní sa tým priestor novým dieram (vľavo, v oblasti $p$ ) a novým elektrónom (vpravo v oblasti typu $n$ ), a v sústave začne tiecť elektrický prúd. Inými slovami, dvojica kryštálov je teraz cez prechod zaplavená novými dierami a elektrónmi, rekombinácia značne vzrastie na oboch stranách $n - p$ prechodu, a takto v kryštáli typu $p$ znovu vznikajú diery, kým v časti typu $n$ sa objavia elektróny. Elektróny do kryštálu typu $n$ dodáva záporná elektróda zdroja, kým diery vznikajú tým, že druhá (kladná) elektróda zdroja odčerpáva z kryštálu typu $p$ elektróny – v konečnom dôsledku tečie dvojicou kryštálov elektrický prúd.

Ak však napätie pripojíme na dvojicu kryštálov v opačnom smere, potom situácia bude úplne iná (obr. 21.11b). Teraz sa elektróny a diery posunú opačnými smermi, kde sa nahromadia, opustia $n - p$ prechod, ktorý sa stane „zemou nikoho“. Je zrejmé, že v tomto prípade dvojicou kryštálov netečie elektrický prúd. Náš nástroj elektrický prúd v jednom smere prepúšťa, v opačnom smere nie. Táto schopnosť $n - p$ prechodu umožňuje, aby sme namiesto vákuových trubíc s rozžeravenou katódou¹⁷ k usmerneniu elektrického prúdu použili dvojicu kryštálov typu $n$ a typu $p$ .

¹⁷Vákuová trubica je tiež schopná usmerniť elektrický prúd. Jeho princíp je v niečom podobný tomu, čo sme popísali v prípade $p - n$ prechodu. Rozžeravenú katódu opustia elektróny, ale tým sa katóda stane mierne kladne nabitou, čo spôsobí, že nastane určitá rovnováha – katóda bude niesť kladný náboj, kým vo vákuu ho obklopí malý záporný mrak z elektrónov. Ďalšie elektróny už katódu nevedia opustiť. Ak ku katóde pripojíme záporný pól zdroja a k anóde kladný, stane sa nasledujúce. Do katódy začnú prúdiť zo zdroja elektróny, ktoré neutralizujú katódu, a elektrónový mrak môže odletieť z okolia katódy k anóde, ktorá ich priťahuje, a nakoniec ich odvedie do zdroja – tým však uvoľnia priestor novým elektrónom z rozžeravenej katódy a to sa opakuje, kým je zdroj k trubici pripojený takto – teda trubicou potečie elektrický prúd. Ak zdroj k trubici pripojíme s opačnou polaritou, tak kladný náboj na katóde vzrastie a pritiahne k sebe elektrónový mrak ešte tesnejšie, púta ho k sebe ešte silnejšie – anóda nie je žeravá, tá elektróny neemituje, preto vo vákuu nepoletia žiadne elektróny, trubicou netečie elektrický prúd.

21-12 Tranzistory