Polovodič

5. listopadu 2008 v 15:52 | Martin Smolák |  elektrotechnika


Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie - nejčastěji tepelné nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči.
Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS, ad. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní.


Historie

Polovodičové zařízení bylo známo již na počátku 20. století, kdy se používala hrotová elektroda (anglicky cat's-whisker), která sloužila jako základ krystalky (rádio). Cílená výroba polovodičových (germaniových) diod byla uskutečněna až po velkém úsilí v roce 1940. Výrazným mezníkem v historii elektroniky byl vynález tranzistoru v Bellových laboratořích v roce 1947. Integrovaný obvod vyrobil v roce 1958 Jack Kilby. Obsahoval v jednom pouzdře čtyři tranzistory a byl dalším zlomem v rozvoji elektroniky.


Princip


Elektrony a kladné díry

Z hlediska částic se při dodávání energie polovodiči jedná o uvolňování elektronů z blízkosti jader atomů - excitaci. Velikost excitační energie se u polovodičů pohybuje mezi hodnotami této energie u vodičů a izolantů. Volné elektrony způsobují tzv. elektronovou vodivost.
Zároveň s uvolněným elektronem vzniká na jeho původním místě tzv. kladná díra - místo, které vykazuje kladný elektrický potenciál. Kladné díry se mohou přemisťovat pomocí přeskoků elektronů a tento pohyb způsobuje tzv. děrovou vodivost. Směr pohybu kladných děr je opačný ke směru pohybu elektronů a celkový elektrický proud v polovodiči se rovná součtu proudu způsobeného elektrony a proudu způsobeného kladnými děrami.
Může také dojít k zaplnění díry elektronem při současném uvolnění energie, a tím k zániku dvojice volný elektron - kladná díra. Tento děj se nazývá rekombinace.

Závislost vodivosti a odporu na teplotě

Vodivost, resp. odpor polovodičů závisí na teplotě. S rostoucí teplotou se zvyšuje vodivost, resp. snižuje odpor polovodičů. To lze vysvětlit větším počtem uvolněných elektronů při zvýšeném tepelném pohybu.
Změnu odporu ΔR na teplotě popisuje vztah ΔR = R0.α.Δt , kde R0 je počáteční odpor polovodiče, α je teplotní součinitel odporu (záporná hodnota), Δt je rozdíl teplot.
Závislost vodivosti a odporu na teplotě odlišuje polovodiče od kovů, u kterých je tato závislost opačná (hodnota α je u kovů kladná).

Vlastní vodivost polovodiče

Čisté polovodičové prvky (např. křemík či germanium) mají při teplotě absolutní nuly (-273,15 °C) valenční elektrony pevně vázány ve valenční vrstvě - ustává tepelný vířivý pohyb atomů a krystal se chová jako izolant (má téměř nekonečný elektrický odpor, resp. nulovou elektrickou vodivost).
Dodáme-li tomuto krystalu energii formou záření (tepla, světla), atomy začnou tepelně kmitat, dojde k porušení některých kovalentních vazeb - některé valenční elektrony, které byly předtím pevně vázány, získají dostatek energie k překonání zakázaného pásu a přeskočí z valenčního pásu do vodivostního a budou se neuspořádaně pohybovat prostorem krystalové mřížky (mezi atomy). Na takto "postiženém" místě, kde vyskočil valenční elektron z vazby, vznikl nedostatek záporného náboje (přebytek kladného náboje), kterému říkáme defektní elektron, zkráceně díra. Vznik páru elektronu - díra nazýváme generací. Díra a elektron vznikají současně.
Při nepřetržitém dodávání energie se bude uvolňovat stále více volných elektronů a vznikat více děr. Krystalem neuspořádaně se pohybující volné elektrony jsou přitahovány dírami. Když se setká volný elektron s dírou, zaniknou a utvoří tak opět pevnou vazbu. Jelikož elektrony přeskakují z díry do díry, jeví se nám toto přeskakování elektrony zároveň i jako pohyb děr. Tento proces se nazývá rekombinací. Takto popsaný děj (generace a rekombinace) se v látce na mnoha místech neustále opakují. Popsaný druh vodivosti podmíněný vznikem volně pohyblivých párů nosičů náboje elektron-díra v důsledku rozbíjení vazeb mezi atomy čistého polovodiče, nazýváme vlastní (intrinzická) vodivost polovodiče.


Příměsové (nevlastní) polovodiče

Volné elektrony, resp. kladné díry lze do polovodiče dostat také pomocí příměsí. I malé množství příměsi (10−5) může vést k dostatečně velkému zvětšení vodivosti. Této vodivosti říkáme nevlastní vodivost.

Polovodič typu N

Přidáme-li do čistého čtyřmocného křemíku pětimocný prvek (fosfor, arsen nebo antimon) vznikne nám polovodič typu N. Prvku příměsi, který má o jeden elektron více, říkáme donor (dárce - daruje elektron). Obecně: AIV + BV >
Polovodič typu N
Polovodič typu N
Čtyři valenční elektrony arsenu se naváží se sousedními atomy křemíku, ale jeden elektron partnera nenajde, proto se může velmi snadno uvolnit z vazby s vlastním atomem a pohybovat se prostorem krystalové mřížky. Tyto zbylé volné elektrony dárce zprostředkovávají svým pohybem záporných (negativních) nábojů elektronovou vodivost (nevlastní vodivost typu N).
Elektronů, které jsou do polovodiče dodány, je mnohem více, než vlastních nosičů náboje polovodiče a proto jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje.
Polovodič typu N obsahuje také i díry, ale ty vznikají jako produkt působení teploty, jsou to vlastní nosiče náboje. Jejich množství je závislé na teplotě polovodiče (s rostoucí teplotou roste). Tyto díry jsou v polovodiči menšinovými (minoritními) nosiči náboje. Připojíme-li polovodič typu N ke zdroji napětí, jsou volné elektrony usměrněny elektrickým polem a pohybují se od záporného pólu ke kladnému pólu zdroje.


Polovodič typu P

Budeme-li dotovat čtyřmocný křemík trojmocným prvkem (bór, hliník, gallium nebo indium) vznikne nám polovodič typu P. Prvku příměsi, který má o jeden elektron méně, říkáme akceptor (příjemce - přijme (akceptuje) do své valenční sféry jeden volný elektron uvolněný teplem). Obecně: AIV + BIII > P
Polovodič typu P
Polovodič typu P
Při použití trojmocného prvku chybí jeden elektron k tomu, aby se mohla vytvořit kovalentní vazba vytvořená ze čtyř dvojic elektronů. Toto volné místo po chybějícím elektronu se chová jako díra (defektní elektron). Tyto díry cizího atomu způsobují děrovou vodivost polovodiče (nevlastní vodivost typu P).
Děr, které jsou do polovodiče dodány, je mnohem více, než vlastních nosičů náboje polovodiče a proto jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje.
Polovodič typu P obsahuje také i volné elektrony, ale ty vznikají jako produkt působení teploty, jsou to vlastní nosiče náboje. Jejich množství je závislé na teplotě polovodiče (s rostoucí teplotou roste). Tyto elektrony jsou v polovodiči menšinovými (minoritními) nosiči náboje.
Volné elektrony, které vznikly tepelným zahřátím vlastního polovodiče, se snaží zaplnit sousední díru akceptoru. Ale při jejich generaci (vzniku) vznikají zároveň i nové díry, které se snaží zaplnit další volné elektrony a tento celý děj se neustále opakuje, což se nám jeví, jako by se pohybovaly díry (odtud děrová vodivost), avšak ve skutečnosti se pohybují volné elektrony, které se snaží díry zaplnit a následně s dírami rekombinují.
Pokud na polovodič typu P přiložíme zdroj napětí, volné elektrony budou přeskakovat do děr směrem od záporného pólu zdroje ke kladnému a díry se budou pohybovat od kladného pólu zdroje k zápornému.

Minoritní nosiče nábojů

Oba typy příměsových polovodičů kromě svých většinových (majoritních) nosičů elektrického náboje obsahují i menší počet opačně nabitých menšinových nosičů (minoritních), které jsou v polovodičových součástkách většinou nežádoucí. Jejich množství závisí na teplotě, proto příměsové polovodiče mívají teplotně omezený rozsah správné činnosti.

Použití příměsových polovodičů

Příměsové polovodiče se používají v polovodičových součástkách, především v polovodičové diodě a tranzistoru, kde zásadní úlohu hraje přechod P-N.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Anketa

Jaký Internetový vyhledávač používáte?

Google 22.8% (134)
Seznam 16.5% (97)
Atlas 16.7% (98)
Centrum 13.1% (77)
Slunečnice 17% (100)
idnes 13.8% (81)

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama