V mobile sú miliardy tranzistorov, v nabíjačke diódy, v obrazovke aj v baterke svietia LED. Všetko je z polovodičov — látok, ktoré vedú prúd lepšie ako izolant, ale horšie ako kov, a dajú sa „naprogramovať“ prímesami. Dnes pochopíš diódu a vypočítaš rezistor, aby ti LED neodišla po sekunde.
Polovodič: elektróny a diery
Najpoužívanejší polovodič je kremík (Si). Každý jeho atóm má 4 valenčné elektróny a viaže sa so štyrmi susedmi. Pri veľmi nízkej teplote sú všetky elektróny vo väzbách a kremík nevedie. Teplom sa niektoré elektróny uvoľnia — stanú sa voľnými a po sebe nechajú prázdne miesto, dieru. Diera sa správa ako kladný náboj: zaplní ju elektrón zo susednej väzby a diera sa tým presunie. To je vlastná vodivosť.
Čím vyššia teplota, tým viac voľných elektrónov a dier — preto odpor polovodiča s teplotou klesá (u kovov rastie). Využíva to termistor (NTC) — snímač teploty v nabíjačke, v batérii mobilu či v elektronickom teplomere. Podobne svetlom klesá odpor fotorezistora (súmrakový spínač pouličnej lampy).
Prímesi: typ N a typ P
Do čistého kremíka sa pridá nepatrné množstvo inej látky (prímes):
| typ | prímes | čo pribudne | väčšinové nosiče náboja |
|---|---|---|---|
| N (negatívny) | 5-mocný prvok — fosfor, arzén | voľný elektrón navyše | elektróny |
| P (pozitívny) | 3-mocný prvok — bór, gálium, indium | chýbajúci elektrón = diera | diery |
To je prímesová vodivosť. Pozor: polovodič typu N ani P nie je nabitý — prímesové atómy sú neutrálne, len dodajú pohyblivé nosiče.
„P = kladne nabitý“ je chyba. P aj N sú ako celok elektricky neutrálne. Písmeno hovorí len o tom, aké nosiče náboja prevládajú: v P sú to diery (správajú sa ako kladné), v N elektróny.
PN prechod a dióda
Keď sa stretne vrstva P s vrstvou N, elektróny z N zaplnia diery v P pri rozhraní. Vznikne tenká hradlová (ochudobnená) vrstva takmer bez voľných nosičov — kladie veľký odpor. Súčiastka s jedným PN prechodom je dióda.
- Priamy smer: P (anóda) na +, N (katóda) na −. Hradlová vrstva sa zúži a po prekročení prahového napätia (kremík asi 0,6 až 0,7 V) dióda vedie.
- Záverný smer: P na −, N na +. Hradlová vrstva sa rozšíri, tečie len nepatrný prúd — dióda nevedie.
Dióda je teda elektrický ventil. V každej nabíjačke sú diódy v usmerňovači, ktorý zo striedavého prúdu robí jednosmerný.
LED v priamom smere s predradným rezistorom. Trojuholník značky ukazuje dohodnutý smer prúdu, čiara je katóda.
LED a predradný rezistor
LED (dióda vyžarujúca svetlo) svieti v priamom smere. Jej prahové napätie závisí od farby: červená asi 2 V, modrá a biela asi 3 V. Nad prahom prúd prudko rastie — LED pripojená priamo na batériu by dostala príliš veľký prúd a zničila by sa. Prúd preto obmedzuje predradný rezistor za sebou s LED. Podľa 2. Kirchhoffovho zákona:
Červenú LED (2 V, 20 mA) chceš napájať z USB 5 V. Aký predradný rezistor?
- Na rezistore musí byť
- Výkon na rezistore: — stačí bežný malý rezistor.
Ak vypočítaná hodnota nie je v predaji, vyber najbližšiu vyššiu — prúd bude o trochu menší. Biela LED (3 V) v aute na 12 V: , vyberieš 470 Ω a prúd bude asi 19 mA.
Ako poznáš nožičky LED? Dlhšia nožička je anóda (+), kratšia katóda (−); na okraji puzdra pri katóde býva aj zrezaná plôška. A keď LED nesvieti, prvé, čo skúsiš: otočiť ju.
🧪 Pokus: LED ako ventil (doma alebo v laboratóriu)
Pomôcky: plochá batéria 4,5 V, červená LED, rezistor 220 Ω, vodiče s krokosvorkami (alebo nepájivé kontaktné pole).
- Zapoj za sebou batériu, rezistor a LED — dlhšou nožičkou ku kladnému pólu. Svieti?
- Otoč LED. Svieti teraz?
- Vypočítaj prúd: .
Bezpečnosť: LED nikdy nepripájaj na batériu bez rezistora a používaj len batériu 4,5 V.
Čo uvidíš
V priamom smere LED svieti, prúd je asi 11 mA — bezpečne pod 20 mA. Po otočení nesvieti, lebo je v závernom smere a prúd netečie. Takto sa dá rýchlo zistiť aj polarita malej batérie s nečitateľným označením (len batérie do 4,5 V, nikdy nie zásuvka či neznámy adaptér).
Roztrieď, čo patrí k polovodiču typu N a čo k typu P:
Chyť správny výsledok — predradný rezistor, LED a dióda:
Zapamätaj si
- Polovodič (kremík): vlastná vodivosť elektrónmi a dierami; odpor s teplotou klesá (termistor).
- Typ N: 5-mocná prímes, nosiče elektróny; typ P: 3-mocná prímes, nosiče diery; oba sú neutrálne.
- Dióda (PN prechod) vedie v priamom smere (anóda P na +) nad prahovým napätím (Si asi 0,6 až 0,7 V), v závernom nevedie.
- LED: červená asi 2 V, biela a modrá asi 3 V; vždy s predradným rezistorom , vyber najbližšiu vyššiu hodnotu.