--- title: "Półprzewodniki" url: https://michalasobczak.pl/pl/posts/semiconductors.html author: "Michał Sobczak" description: "Podstawa budowy diod i tranzystorów. Półprzewodnik to materiał, którego przewodność elektryczna mieści się między przewodnikami a izolatorami. Ich rezystancja i przewodność zależą od temperatury i domieszek. [W] Najczęściej stosowane komercyjnie są półprzewodniki na bazie krzemu, a w przeszłości także germanu." published: 2022-09-14T09:04:31.000Z updated: 2023-01-03T20:49:38.000Z language: pl categories: ["Technology"] tags: ["Electronics"] license: CC BY-NC-ND 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) --- # Półprzewodniki > Podstawa budowy diod i tranzystorów ## Spis treści - [Złącze p-n](#pn-junction) - [Dioda półprzewodnikowa](#semiconductor-diode) - [Dioda Zenera](#zener-diode) Półprzewodnik to materiał, którego przewodność elektryczna mieści się między przewodnikami a izolatorami. Ich rezystancja i przewodność zależą od temperatury i domieszek. \[W\] Najczęściej stosowane komercyjnie są półprzewodniki na bazie krzemu, a w przeszłości także germanu. Oprócz tych dwóch pierwiastków (w postaci krystalicznej) wykorzystuje się całe spektrum innych substancji z grup 13-15, które mogą tworzyć związki dwu-, trój- lub czteroskładnikowe. ## Złącze p-n **Podstawowy element układu półprzewodnikowego** \[003\] Aby uzyskać zwiększoną przewodność półprzewodników, stosuje się domieszki atomów innych pierwiastków. Na przykład arsen lub antymon powodują pojawienie się swobodnych elektronów, które są źródłem ładunków ujemnych. Takie półprzewodniki są typu n (negative). Z kolei ind i bar powodują niedobór elektronów, ponieważ ich atomy pobierają z otoczenia elektrony od atomów krzemu, powodując powstawanie ładunków dodatnich. Są to półprzewodniki typu p (positive). Półprzewodniki typu n i typu p, połączone ze sobą w specjalnym procesie technologicznym, tworzą zasadniczą część każdego elementu półprzewodnikowego, zwaną warstwą p-n. Na granicy tych półprzewodników powstaje złącze p-n, przewodzące prąd od p do n. ## Dioda półprzewodnikowa **Element do budowy prostowników i elementów sygnalizacyjnych** \[003\] Element dwukońcówkowy (di, czyli dwa), przeznaczony na przykład do budowy prostowników, zabezpieczeń lub, w przypadku diod LED, także jako element sygnalizacyjny lub oświetleniowy. Jest to złącze p-n o rezystancji w kierunku przewodzenia ok. 10 000 razy mniejszej niż w kierunku zaporowym. \[101\] Diody mogą służyć do odtwarzania amplitudy sygnału, przesuwania sygnału o składową stałą lub powielania napięcia. \[202\] Diodę krzemową należy podłączyć zgodnie z kierunkiem strzałki symbolu, jeśli chcemy, aby przewodziła prąd. Ustawienie jej odwrotnie to stan zaporowy, w którym do pewnego napięcia nie powinno być przewodzenia. Jeśli przekroczymy parametry przewidzianej pracy takich diod, ulegną one uszkodzeniu i mogą przewodzić prąd w obu kierunkach. ![Rys. Dioda LED w kierunku przewodzenia (p09)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-9.png) *Rys. Dioda LED w kierunku przewodzenia (p09)* Jeśli dioda jest podłączona w kierunku zaporowym, mierzony prąd powinien być pomijalnie mały. W poniższym przykładzie prąd wynosi około 36 nA. ![Rys. Dioda LED podłączona zaporowo (p10)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-10.png) *Rys. Dioda LED podłączona zaporowo (p10)* Spadek napięcia na diodach (tutaj LED) zależy od zastosowanej substancji, która określa dany kolor świecenia. Spadki te wynoszą zazwyczaj od 1,7 do 3,6 V. Diody mają określone parametry pracy i przy zasilaniu układu należy zadbać o właściwą wartość prądu, którą ogranicza rezystor szeregowy. Kolejność elementów w połączeniu szeregowym nie ma w tym przypadku znaczenia, więc rezystor może znajdować się zarówno przed diodą, jak i za nią. ![Wz. Wymagana rezystancja rezystora do zasilania diody](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-11.png) *Wz. Wymagana rezystancja rezystora do zasilania diody* Aby pokazać, że kolejność połączenia rezystora i diody nie ma znaczenia, poniżej przedstawiam dwa podobne przykłady. ![Rys. Rezystor „przed” diodą (p11)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-12.png) *Rys. Rezystor „przed” diodą (p11)* W obu przykładach otrzymujemy ten sam wynik. ![Rys. Rezystor „za” diodą (p12)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-13.png) *Rys. Rezystor „za” diodą (p12)* Prąd można przedstawić przez analogię do ciśnienia wody w zamkniętym układzie, więc przy szeregowym łączeniu elementów kolejność nie będzie miała szczególnego znaczenia. ![Rys. Równoległe połączenie szeregowych układów dioda + rezystor (p13)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-14.png) *Rys. Równoległe połączenie szeregowych układów dioda + rezystor (p13)* Diody można łączyć szeregowo, jak powyżej. Ważnymi parametrami pracy są napięcie przewodzenia, prąd znamionowy i maksymalny oraz parametry zaporowe. Znając te parametry, możemy dobrać odpowiednie rezystory i zestawić całość w obwód, jak powyżej. > „*Niemiecki fizyk Ferdinand Braun, 24-letni absolwent Uniwersytetu Berlińskiego, badał właściwości elektrolitów i kryształów przewodzących na Uniwersytecie w Würzburgu. W 1874 roku, badając kryształy galeny (siarczku ołowiu) końcówką cienkiego metalowego drutu, zauważył, że prąd płynie swobodnie tylko w jednym kierunku. Braun odkrył efekt prostowania elektrycznego, występujący w miejscu styku metali z niektórymi materiałami krystalicznymi. Braun zademonstrował to urządzenie półprzewodnikowe w Lipsku w 1876 roku, jednak nie znalazło ono żadnego praktycznego zastosowania aż do pojawienia się radia na początku XX wieku.*” \[207\] ## Dioda Zenera **Źródło napięcia odniesienia** \[101\] Diody Zenera najczęściej stosuje się jako źródło niemal stałego napięcia odniesienia. Jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze niż napięcie Zenera, dioda nie przewodzi i nie będzie stabilizować napięcia. ![Rys. Dioda Zenera podłączona zaporowo (p14)](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-15.png) *Rys. Dioda Zenera podłączona zaporowo (p14)* \[209\] Dioda Zenera jako stabilizator jest zawsze stosowana w warunkach polaryzacji zaporowej. Układ stabilizatora napięcia stałego z diodą Zenera można zaprojektować tak, aby zapewniał stałe napięcie na obciążeniu niezależnie od zmian napięcia wejściowego czy prądu obciążenia. ![Rys. Pomiar napięcia przebicia](https://michalasobczak.pl/wp-content/uploads/2022/09/obraz-16.png) *Rys. Pomiar napięcia przebicia* Jak widać na powyższym schemacie, wartość napięcia przebicia dla modelu diody Zenera 1N2804 wynosi 6,8 V, zgodnie z notą katalogową. Przykłady dostępne pod adresem [https://github.com/michalasobczak/publications/tree/master/simple-hpc/SeriesPartOne](https://github.com/michalasobczak/publications/tree/master/simple-hpc/SeriesPartOne)