Přeskočit na hlavní obsah

Základy polovodičů

Vodiče, nevodiče a polovodiče​

Pro začátek by bylo dobré si ujasnit, co jsou polovodiče a jak se liší od vodičů a nevodičů. Začneme proto od materiálů, se kterými jste se už pravděpodobně setkali.

  • Vodiče: To jsou materiály, které snadno propouštějí elektrony. Elektrický proud teče skrz ně skoro bez odporu.

Příklady: měď, stříbro nebo zlato.

Ve vodivých materiálech se mohou elektrony volně pohybovat jako auta na dálnici bez zácpy. Důvodem je to, že v jejich atomové struktuře je spousta volných elektronů ve valenční pásmu, který se překrývá s vodivostním pásmem – není mezi nimi žádná mezera.

  • Nevodiče (izolanty): Tyto materiály prozměnu nevedou proud vůbec (v ideálním případě). Elektrony jsou pevně vázané k atomům a nemohou se pohybovat.

Příklady: sklo, guma nebo plast.

Zde je velká energetická mezera (zakázané pásmo) mezi valenčním pásmem (kde jsou elektrony) a vodivostním pásmem (kam by musely skočit, aby vedly proud). Aby elektron přeskočil, potřebuje hodně energie, což se v běžných podmínkách nestane.

  • Polovodiče: Polovodiče nevedou proud tak dobře jako vodiče, ale ani ne tak špatně jako nevodiče. Jejich vodivost závisí na faktorech jako je teplota, světlo nebo příměsi.

Příklady: křemík (Si) nebo germanium (Ge).

Zde je zakázané pásmo menší – při pokojové teplotě se nějaké elektrony mohou dostat do vodivostního pásma, ale ne moc. S trochou pomoci (např. vyšší teplotou) se vodivost zvyšuje.

Pro lepší představu se podívejte na tento diagram energetických pásů:

Co jsou polovodiče a jak fungují?​

Polovodiče jsou obvykle vyrobeny z prvků ze 4. skupiny periodické tabulky, jako křemík nebo germanium. Jejich atomy se uspořádávají do pravidelné struktury zvané krystalová mřížka. V křemíku každý atom má 4 valenční elektrony a sdílí je se čtyřmi sousedy, čímž vytváří pevné kovalentní vazby. V čistém polovodiči (bez příměsí) jsou všechny elektrony vázané – žádné volné nosiče náboje.

Když ale zahřejeme materiál nebo osvítíme světlem, některé elektrony získají dost energie, aby se uvolnily. Pak zůstane po nich "díra" – místo, kde chybí elektron, a ta se chová jako kladný náboj. Elektrony se pohybují jedním směrem, díry opačně. Tohle je základ fungování: proud v polovodičích nese jak záporné elektrony, tak kladné díry.

Zde je struktura krystalové mřížky křemíku:

V čistém křemíku je vodivost slabá, protože jen málo elektronů se uvolní. Abychom to zlepšili, používáme tzv. doping – přidávání malého množství příměsí.

Doping: Příměsi pro lepší vodivost​

Přidáváme atomy jiných prvků do krystalové mřížky, aby vznikly volné nosiče náboje. Existují dva typy:

  • Typ N (negativní): Přidáváme donorové příměsi – atomy s 5 valenčními elektrony, např. fosfor (P), arsen (As) nebo antimon (Sb). Tyto atomy se vejdou do mřížky, ale jeden elektron navíc zůstane volný. Takže v typ N je spousta volných elektronů (majoritní nosiče), a málo děr (minoritní).

Ilustrace dopingu typu N:

  • Typ P (pozitivní): Přidáváme akceptační příměsi – atomy s 3 valenčními elektrony, např. bor (B), gallium (Ga) nebo indium (In). Tyto atomy vytvářejí "díry" – chybí jim jeden elektron, takže přijímají elektrony od sousedů. V typ P jsou majoritní nosiče díry, a minoritní elektrony.

Ilustrace dopingu typu P:

Díky dopingu můžeme kontrolovat, jestli bude polovodič víc "elektronový" nebo "děrový". Množství příměsí je malé – typicky 1 atom na milion!

Jak se polovodiče vyrábí?

Výroba polovodičů je fascinující proces. Začíná se čistým křemíkem, který se získává z křemenného písku. Nejčastější metoda je Czochralskiho proces: Křemík se roztaví v tyglíku při 1400 °C, pak se do něj ponoří zárodek monokrystalu a pomalu se táhne nahoru, zatímco se otáčí. Vznikne velký monokrystalický ingot, který se nakrájí na tenké plátky (wafery).

Doping se provádí buď během růstu krystalu, nebo později difúzí příměsí do waferu v peci při vysoké teplotě, nebo iontovou implantací – střílením iontů příměsí do povrchu. To vše v čistých místnostech, kde je méně prachu než v nemocnici!

Teď, když víme, co je typ N a P, se můžeme podívat, co se stane, když je spojíme dohromady – vznikne PN přechod.

PN přechod​

PN přechod vzniká spojením polovodiče typu P a N v jednom krystalu (nejčastěji křemíku).

Bez přiloženého napětí (rovnovážný stav)​

  • Elektrony z N oblasti difundují do P oblasti, kde se rekombinují s dírami.
  • Díry z P oblasti difundují do N oblasti.
  • Tímto vzniká v okolí přechodu vyprázdněná oblast (depleční vrstva nebo hradlová vrstva), kde nejsou volné nosiče náboje – zůstávají jen nepohyblivé ionty příměsí (kladné v N, záporné v P).
  • Tato oblast vytváří vestavěné elektrické pole (difúzní potenciál), které brání další difúzi. U křemíkových diod je tento potenciál přibližně 0,7 V.

Dopředné předpětí (propustný směr)​

  • Anoda (+) na straně P, katoda (-) na straně N.
  • Vnější napětí působí proti vestavěnému poli →\rightarrow depleční vrstva se ztenčuje nebo mizí.
  • Nosiče náboje (elektrony z N a díry z P) jsou tlačeny k přechodu a přes něj snadno procházejí.
  • Po překonání prahového napětí (cca 0,7 V u Si) začne diodou téct výrazný proud – dioda vede.

Zpětné předpětí (závěrný směr)​

  • Anoda (-) na straně P, katoda (+) na straně N.
  • Vnější napětí zesiluje vestavěné pole →\rightarrow depleční vrstva se rozšiřuje.
  • Majoritní nosiče jsou odtahovány od přechodu, přes přechod procházejí jen minoritní nosiče (teplotně generované).
  • Protéká jen velmi malý závěrný proud (řádově nA až µA).
  • Dioda prakticky nevede, dokud nedosáhne průrazného napětí (u běžných diod desítky až stovky V), kdy dojde k průrazu (Zenerův nebo lavinový efekt).