Ing. Motešický POLOVODIČE
Zopakujme si: Látky z hľadiska vedenia elektrického prúdu delíme na: 1. vodiče - kladú prechádzajúcemu el. I nízky R, majú vysokú el. vodivosť G, látka má veľké množstvo voľných elektrónov (meď, hliník, striebro, zlato, platina,... - obvykle ako zliatiny) 2. izolanty - kladú prechádzajúcemu el. I veľký R, majú nízku el. vodivosť G, elektróny sú pevne viazané na atómy (umelá hmota, porcelán, síra, jantár, sľuda, drevo, za normálnych okolností vzduch,... ) 3. polovodiče - ide o pevnú látku, ktorej el. vodivosť závisí na vonkajších alebo vnútorných podmienkach, a dá sa zmenou týchto podmienok ľahko ovplyvniť (kremík, germánium, selén, zlúčeniny arzenid gália, sulfid olovnatý,...)
Polovodiče podľa pôvodu nositeľov náboja delíme na: 1. vlastné 2. nevlastné (prímesové) Využitie polovodičov v praxi: - hlavne výroba elektrotechnických súčiastok: tranzistor, dióda, termistor, integrovaný obvod (IO) a podobne
Vlastné polovodiče Pozn: Germánium (Ge) a kremík () sú prvky 4.skupiny periodickej sústavy prvkov; obidva majú vo valenčnej sfére 4.elektróny. Ich kryštálová štruktúra je priestorový útvar. Pre znázornenie však používame jednoduchšie rovinné zobrazenie. Toto znázornenie pozostáva len z jadra (všetko ostatné sa vynecháva) a valenčnej sféry. jadro elektrón valenčná sféra Pozn. Na správne vysvetlenie je nutné použiť kvantovú mechaniku, nám postačuje zjednodušený model
Vlastné polovodiče Pri nízkych teplotách a u chemicky čistého kremíka platí: Každý atóm je viazaný so 4 susednými atómami pomocou 4 vlastných valenčných elektrónov a 4 valenčných elektrónov susediacich atómov Všetky valenčné elektróny sa podieľajú na väzbe, v kryštálovej mriežke nie sú voľné elektróny = kremík je izolant.
Vlastné polovodiče Pri zvýšení teploty kremíka: Kmity atómov vyvolajú porušenie väzieb, niektoré valenčné elektróny sa uvoľnia stávajú sa z nich voľné elektróny = kremík je vodič. Uvoľnením elektrónov z väzby vznikne v mriežke prázdne miesto - diera. Diera je miesto s kladným nábojom, ktorý získa z prebytku kladných nábojov atómového jadra. Nastáva tzv. generácia párov voľný elektrón-diera.
Vlastné polovodiče Dochádza k zdanlivému pohybu dier po kryštáli polovodiča. Niektorý z valenčných elektrónov neporušených susedných väzieb preskočí na miesto porušenej väzby. Súčasne sa objaví diera na inom mieste. Zánik párov voľný elektrón-diera nazývame rekombinacia.
Vlastné polovodiče Počet voľných elektrónov u polovodičov môžeme zvyšovať zahrievaním. Pokiaľ sa polovodič nenachádza v elektrickom poli, pohyb častíc je chaoticky. Ak vytvoríme okolo vodiča električke pole, elektróny sa budú pohybovať proti smeru vektora intenzity a diery v smer vektora intenzity tohto poľa. Výsledný prúd sa napokon rovná súčtu dierového a elektrónového. Keďže tento typ "polovodivosti spôsobujú vlastné elektróny nazývame ju vlastná vodivosť, majú ju vlastne polovodiče. Praktické použitie: termistor
Prímesové polovodiče Elektrické vlastnosti polovodiča upravujeme pomocou prímesí. Polovodiče s týmto mechanizmom elektrickej vodivosti sa volajú nevlastné (prímesové) polovodiče. Na tento účel sú najvhodnejšie "susedné" prvky 4 skupiny (). Napr.3: bór, hliník, gálium, indium; 5: fosfor-p, arzén, antimón, bizmut. V kryštáli kremíka nahradíme niektorý atóm päťmocným atómom fosforu. P P
Prímesové polovodiče Dochádza k znečisteniu kryštálovej mriežky kremíka. Nevznikne však diera, pretože v kremíku znečistenom fosforom je nadbytok voľných elektrónov. P
Prímesové polovodiče Polovodič dotovaný 5-mocným prvkom (donorom) má nadbytok elektrónov. Elektrón má záporný (negatívny) elektrický náboj; majoritné sú voľné elektróny a minoritné diery, preto tieto polovodiče nazývame polovodičmi typu N. Elektróny prevažujú preto, že okrem uvoľnených elektrónov od prvkov z 5. skupiny PSP sú v kryštáli aj voľné elektróny vzniknuté tepelnú generácií. Mechanizmy vlastnej vodivosti nemožno zrušiť.
Prímesové polovodiče Polovodič dotovaný prímesou akceptorov (príjemcov) - 3 valenčné elektróny vytvorí len 3 väzby s okolitými atómami. Teda nevytvorí sa 1 valenčná väzba. V materiály vzniká nadbytok dier. Vlastná vodivosť je dierová, "pozitívna", čiže hovoríme o vzniku polovodiča typu P. Hustota voľných nositeľov náboja v prímesových polovodičoch je pri nízkych teplotách konštantná. Pri zvyšovaní teploty sa začína uplatňovať aj vodivosť vlastná, ktorá zvyšuje koncentráciu najmä minoritných nositeľov náboja. U väčšiny polovodičových súčiastok je tento jav nežiaduci, preto musia byť súčiastky chladené.
Koniec