Místo žhavených vláken v elektronkách se v první polovině 20. století začaly používat polovodičové krystaly. Vznikla tak krystalová dioda nebo v roce 1948 tranzistor. Polovodičová dioda a tranzistor patří mezi základní polovodičové součástky. Základem jejich činnosti jsou jevy, které vznikají na rozhraní, tzv. přechodu polovodiče typu P a polovodiče typu N. V polovodiči typu N je velký počet volných elektronů, v polovodiči typu P je značná převaha děr. Jako celek je však každý z polovodičů elektricky neutrální.
Schéma polovodičové diody.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Polovodičová dioda
Polovodičová dioda je tvořena jedním přechodem PN. V okamžiku, kdy vznikne přechod PN, začnou neuspořádaným tepelným pohybem pronikat díry do polovodiče typu N a naopak z tohoto typu polovodiče přecházejí elektrony do polovodiče typu P. Při setkání volného elektronu a díry zaplní volný elektron díru. Tím zanikne díra a volný elektron se stane vázaným. Zánikem děr a elektronů se postupně snižuje v přechodu PN počet volných elektronů a děr. Nakonec je v přechodu podstatně méně děr a volných elektronů než původně. V přechodu téměř chybějí částice, které by mohly vést proud. Přechod PN je velmi tenká vrstva, která působí jako izolant. Vzniká tzv. hradlová vrstva, v níž působí elektrické pole z oblasti N do oblasti P a brání pohybu volných nábojů. Polovodičová dioda se chová podle toho, jak ji zapojíme do obvodu. V propustném směru je spojen polovodič typu P s kladným pólem zdroje a polovodič typu N se záporným pólem zdroje. Při zapojení diody v tomto směru směřují volné elektrony i díry k přechodu, tj. velikost hradlové vrstvy se zmenšuje. Vnější elektrické pole tedy umožnilo, aby volné elektrony a díry pronikly velmi tenkou vrstvou přechodu a diodou procházel dlouhodobě elektrický proud.
Polovodičová dioda zapojená v propustném směru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
V závěrném směru spojíme polovodič typu N s kladným pólem zdroje a polovodič typu P se záporným pólem zdroje. Při zapojení diody v tomto směru směřují volné elektrony i díry od přechodu, tj. hradlová vrstva se zvětšuje. Přechod elektronů a děr přechodovou vrstvou se znesnadní natolik, že vrstva proud nepropouští.
Polovodičová dioda zapojená v závěrném směru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Voltampérová charakteristika diody může mít např. průběh naznačený na obrázku. Část křivky odpovídá propustnému směru, část směru závěrnému. Pro diodu tedy neplatí Ohmův zákon.
Voltampérová charakteristika diody.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Diody se používají k usměrnění střídavého napětí, protože polovodičová dioda má značně odlišný odpor v propustném směru a závěrném směru. Protože v závěrném směru nepropouští proud, může se používat jako kontrola směru proudu v spotřebiči. Rozlišujeme plošné křemíkové diody nebo hrotové germaniové diody.
Polovodičová dioda.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Na diodovém jevu je založen princip LED zářivky. Samotná LED zářivka se skládá z většího počtu jednotlivých LED diod schopných vyzařovat elektromagnetické záření. Přechod PN je zapojen ke zdroji napětí v propustném směru. Volné elektrony a díry jsou přitahovány k hradlové vrstvě, v jejíž oblasti dochází k jejich částečné rekombinaci, přičemž se rozdíl jejich energií vyzáří ve formě elektromagnetického záření ve viditelné oblasti spektra záření. Mezi výhody LED diod patří malé rozměry a okamžitý start. Oproti jiným světelným zdrojům délka jejich života není zkracována časným spínáním, což z nich činí výborný světelný zdroj k osvětlení prostor, kde dochází k častému zapínání a vypínání zdroje světla. Jsou také mechanicky mnohem odolnější. Jejich nejpodstatnější výhodou je ovšem jejich energetická úspornost a dlouhá délka života pohybující se kolem 35 000 až 50 000 hodin. Mezi nevýhody patří vysoké pořizovací náklady a závislost na teplotě okolního prostředí.
Tranzistor
Tranzistorový jev byl objeven v padesátých letech minulého století. Fyzikové prověřovali takovou okrajovou a nepraktickou věc, jako je povrchový elektrický odpor na tak kuriózním materiálu, jakým je krystalický křemík a germanium. Výsledkem byl objev tranzistorového jevu, za který byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 1956 Johnu Bardeenovi, Walteru Brattainovi a Williamu Shockleymu.
Zleva: John Bardeen, William Shockley a Walter Brattain.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Základem tranzistoru je velmi tenká destička polovodiče, tzv. báze, na kterou je z obou stran napařen přechod PN, nebo NP. Podle toho zda báze tranzistoru má vodivost typu N nebo typu P, označujeme tranzistor jako PNP nebo jako NPN. Typ báze označuje prostřední písmeno. Používá se zapojení se společnou bází nebo se společným emitorem.
Tranzistor PNP a NPN.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Přechod s větším plošným obsahem styku s bází je kolektor, s menším plošným obsahem je emitor. Báze je buď křemíková, pak jde o křemíkový tranzistor, nebo je germaniová a tranzistor se označuje jako germaniový.
Tranzistorový jev nastává při zapojení báze k dalšímu obvodu s vlastním zdrojem napětí, kde přechod mezi emitorem a bází je zapojen v přímém směru. Tranzistorový jev spočívá v tom, že kolektorový proud se dá řídit nepatrnými změnami proudu v obvodu báze. Poměr změny kolektorového proud IC a proudu bází IB je tzv. proudový zesilovací činitel tranzistoru. U některých tranzistorů je proudový zesilovací činitel větší než sto, tedy kolektorem prochází více než stokrát větší proud než bází.
Tranzistory.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
