4.3.2 Vlastní a příměsové polovodiče

Transkript

1 4.3.2 Vlastní a příměsové polovodič Přdpoklady: 4204, 4207, 4301 Pdagogická poznámka: Pokud budt postupovat normální rychlostí, skončít u ngativní vodivosti. Nní to žádný problém, pozitivní vodivost si žáci doplní sami. Na dvě hodiny j látky málo. Tři divné součástky: Dioda (jjí voltampérová charaktristika), propouští proud pouz v jdnom směru, navíc: v propustném směru s dlouho nic nděj, při určitém napětí (různém pro různé diody) začn téct čím dál větší proud (závislost nní linární, al proud rost rychlji), v závěrném směru s napětím rost proud (al jho vlikost j o několik řádů mnší nž v propustném směru). Trmistor Součástka, ktrá funguj obrácně nž žárovka, s rostoucí tplotou s jjí odpor zmnšuj. Fotorzistor Součástka, jjíž odpor zálží na tom, jak moc na ní svítím (na světl - malý odpor, v tmě - vlký odpor). Funkci těchto součástk nvysvětlím pomocí vdní proudu v vodičích musí xistovat další skupina látk, ktrá s k proudu chová jinak nž vodič nbo nvodič. Polovodič (njznámější příklad j křmík ) Měrná vodivost látk : vodič 10 8 m 1, nvodič m 1, polovodič m 1 vodivostí jsou něco mzi vodiči a nvodiči, al tnto údaj nvysvětluj chování zmiňovaných součástk. Poznámka: Vysvětlní podávaná v této kapitol njsou z hldiska vysokoškolské fyziky (lép řčno opravdové fyziky) správná. Správný fyzikální popis vyžaduj použití kvantové mchaniky a pásové struktury lktronových slupk u krystalů pvných látk. Místo správného vysvětlní s v střdoškolských učbnicích používá zjdnodušná přdstava lktronů, jako kuličk vytvářjících vazbné dvojic. Většina jvů jd kupodivu vysvětlit i tímto způsobm, něktré (například Znrův průraz) n. Autor tohoto txtu s přiklání k použití klasického střdoškolského vysvětlní nž nvysvětlovat vůbc, protož správnější vysokoškolský přístup j na střdní škol asi ndosažitlným snm. Jistou oporou tohoto názoru j kapitola o tranzistoru v Fynmanových přdnáškách. Křmíkový krystal při absolutní nul (nbo o hodně nízké tplotě)

2 Každý atom křmíku má čtyři valnční lktrony (vnější lktrony v vrstvě njvíc vzdálné a tudíž njméně přitahované). Elktrony jsou vázány do sdílných lktronových párů (každý atom poskytuj do čtyř párů po jdnom lktronu, tdy všchny své valnční lktrony), ktré drží krystal pohromadě v krystalu njsou volné lktrony, ktré by mohly vést lktrický proud s chová jako izolant. Každý lktron má jdnotkový záporný náboj, zbytk atomu křmíku má 4 kladné náboj (s svými čtyřmi lktrony j nutrální). Začnm krystal zahřívat. Elktronové páry njsou silně vázané k jádru. Krystal s zahřj atomy začnou víc kmitat a něktrý z lktronů s můž utrhnout objví s lktron pohybující s po krystalu a prázdné místo u atomu, od ktrého s lktron odtrhl. Atom bz uniklého lktronu s snaží získat jdn lktron z sousdního lktronového páru, pokud uspěj, bud spokojný, al vznikn další díra u atomu, ktrému lktron ukradl takto díry cstují po krystalu. Atom s dírou j navnk kladně nabitý díra s chová jako pohyblivá částic s kladným nábojm. Děj popsaný v přdchozích bodch s nazývá gnrac páru lktron díra (vznikla dvojic nabitých části, ktré s mohou pohybovat po krystalu a tak přnášt proud). Pokud lktron potká díru a spadn do ní, pár lktron-díra zanikn (dojd k rkombinaci). Uvdný mchanismus popisuj vdní proudu v polovodičích a nazývá s vlastní vodivost. Látky, ktré vdou tímto způsobm, s nazývají vlastní polovodič.

3 Př. 1: Nakrsli do spolčného grafu závislost měrného lktrického odporu polovodič a kovu na tplotě. ρ polovodič kov Měrný lktrický odpor vodičů s tplotou rost (žárovka, víc srážk lktronů s mřížkou), měrný lktrický odpor polovodičů s tplotou klsá (větší tplný pohyb v mřížc a tím víc gnrovaných párů lktron-díra). t Př. 2: Vysvětli vlastnosti trmistoru, fotorzistoru a diody za přdpokladu, ž jd o součástky vyrobné z polovodičů. Trmistor S vyšší tplotou atomy víc kmitají víc lktronů s můž uvolnit z sdílných párů vytváří s víc párů lktron-díra víc vodivých částic při stjném napětí tč větší proud, odpor látky s zmnšuj funkc trmistoru. Fotorzistor Pár lktron-díra nmusí vytvářt pouz kmitání atomů, al i nrgi dopadajícího světla dopadm světla vznikn pár lktron-díra (vnitřní fotolktrický jv) víc světla vytvoří víc párů lktron-díra víc vodivých částic potč větší proud, odpor látky s zmnšuj funkc fotorzistoru. Dioda Nic z toho, co jsm si o polovodičích zatím říkali, funkci diody nvysvětluj zatím zřjmě nvím o polovodičích dost. Dalko častěji nž polovodič vlastní s používají polovodič příměsové. Opět začnm s krystalm polovodič.

4 Příměsové polovodič vyrobím, když v krystalu nahradím část atomů křmíku chmickou látku, ktrá má 3 nbo 5 valnčních lktronů. Př. 3: Nakrsli, jak s změní situac části křmíkového polovodičového krystalu, pokud bud prostřdní atom křmíku nahrazn atomm prvku s pěti valnčními lktrony (As, P, Sb ) As Jdn z pěti valnčních lktronů nmá u okolních atomů křmíku partnra do páru zůstan sám, nní vázán do vazb můž s volně pohybovat po krystalu. Každý z atomů příměsi takto poskytn jdn lktron po krystalu s pohybuj vlké množství volných lktronů krystal získal příměsovou ngativní (lktronovou) vodivost polovodič typu N. Atomy příměsi darují lktrony, říká s jim donory. Takový krystal budm krslit násldovně. N Polovodič typu N obsahuj vlké množství volných lktronů (majoritní nosič). I v něm s tvoří páry lktron-díra, al takto vzniklých děr (minoritní nosič) j v porovnání s lktrony vzniklými díky příměsi vlmi málo a vlmi rychl rkombinují s přvahou lktronů. Krystal nní záporně nabitý, na obrázku j nakrslna přvaha lktronů, al njsou tam

5 nakrslny atomy příměsi, ktré jsou nabité kladně (jdn lktron uvolnily), protož s nmohou pohybovat a přnášt proud. Pdagogická poznámka: Studnti opravdu často při krslní obrázků N-polovodič zapomínají, ž njd o záporně nabitou látku. V takovém případě samozřjmě nmohou mnohá vysvětlní pochopit. Př. 4: Nakrsli, jak s změní situac části křmíkového polovodičového krystalu, pokud bud prostřdní atom křmíku nahrazn atomm prvku s třmi valnčními lktrony ( Al, Ga, In ). Ga Atom má pouz tři valnční lktrony, nmůž jdnomu z okolních atomů křmíku poskytnout partnra do páru vznikn díra (jako při uvolnění lktronu z páru) díra s můž volně pohybovat po krystalu. Každý z atomů příměsi takto vytvoří jdnu díru po krystalu s pohybuj vlké množství volných děr krystal získal příměsovou pozitivní (děrovou) vodivost polovodič typu P. Atomy příměsi odbírají okolním atomům lktrony, říká s jim akcptory. Takový krystal budm krslit násldovně. P Polovodič typu P obsahuj vlké množství volných děr (majoritní nosič). I v něm s tvoří páry lktron-díra, al takto vzniklých volných lktronů (minoritní nosič) j v porovnání s děrami vzniklými díky příměsi vlmi málo a vlmi rychl rkombinují s přvahou děr. Krystal nní kladně nabitý, na obrázku j nakrslna přvaha děr, al njsou tam nakrslny atomy křmíku, ktré uvolnily jdn z svých lktronů a jsou nabité kladně, protož s nmohou pohybovat a přnášt proud. Př. 5: Porovnj vodivost příměsových a vlastních polovodičů. Jak závisí tnto rozdíl na množství příměsi? Mění s rozdíl mzi jjich vodivostmi s tplotou? Příměsové polovodič mají větší vodivost nž vlastní (mají víc pohyblivých nosičů náboj, protož každý atom příměsi znamná jdn pohyblivý náboj).

6 Čím větší j množství příměsi, tím větší j vodivost matriálu. Rozdíl v vodivosti mzi příměsovými a vlastními polovodiči s zmnšuj s rostoucí tplotou. S tplotou s zvyšuj množství tplotně gnrovaných párů lktron-díra, ktré vznikají v obou druzích polovodičů stjně. Shrnutí: Pohyblivé nabité částic přnášjící náboj vznikají v polovodičích uvolňováním lktronů z vazb s tplotou odpor polovodičů klsá. Pomocí příměsi můžm dosáhnout toho, ž v polovodiči povdou proud přvážně lktrony (nbo díry).