Polovodiče

V pevných látkách jsou atomy pravidelné uspořádány do krystalické struktury. Jsou tak těsné u sebe, že jejich valenční elektrony tvoří jednotný systém. spo1ečně, pro celý krystal. Jednotlivé valenční elektrony se tedy mohou volné pohybovat.

Valenčními elektrony označujeme malou část elektronů, pohybující se po vnitřních drahách (v poslední obalové slupce) a umožňující vazbu s jinými atomy. Za normálních podmínek je pohyb vo1ných elektronů různorodý a směřuje na všechny strany. S přidruženým napštím se pohyb uspořádá a vznikne elektrický proud. Týká se to vodičů - prakticky jen kovů.

V izolantech a polovodičích se valenční elektrony nemohou volné pohybovat - jsou vázané. Za normálních okolností nemohou překonat síly či vazby, podílející se na soudržnosti jednot1ivých sousedních atomů. Dodáním energie, např. ohřátím, se některé vázané elektrony po1ovodičových prvků uvolní z atomové vazby a změnil se v elektrony volné.

Při uvolnění valenčního elektronu vznikne v atomu mezera, zvaná ,,díra”. Do této díry může přeskočit vázaný valenční elektron, nacházející se v její blízkosti. Tím nutné vznikne jiný otvor, a to na jeho původním místě. Elektron se posunul jedním směrem, původní díra jakoby ustoupila opačným směrem. Na rozdíl od záporně nabitých elektronů přisuzujeme díře k1adný náboj.

V polovodičovém materiálu vznikají dva druhy nosičů elektrického proudu: záporné elektrony a kladné díry.

Kladné náboje — díry se mohou pohybovat také, to tím způsobem, že se s dírou setká vo1ný elektron. Ten není vázán na stálé místo — nesedí v díře. Spadne-li elektron do díry, dochází k rekombinaci. Krystalická mřížka má snahu vlivem teploty se pohybovat, a přitom vzniká pohyb vo1ných elektronů. S tím ovšem souvisí i pohyb děr.

Volných elektronů v čistém, tj. neupraveném polovodiči, na rozdíl od vodiče, je nepatrné množství. Proto i proud procházející takovým polovodičem je nepatrný. Existuje však cesta, jak jejich počet zvýšit. Stačí, když do krystalu vpravíme některé příměsi v podobě cizích atomů. Tak např. přidáním atomů arsenu, fosforu nebo antimonu do krystalu germania, vznikne nadbytek vo1ných elektronů.

Příměsi vyvolávající zápornou vodivost N se nazývají ,,donory”. Například atom arsenu má o jeden valenční elektron více než atom germania. Tento přebytečný elektron není vázán krystalickou mřížkou. Je navíc, a proto se stává vo1ným elektronem. V krystalu pak převládá vodivost negativných nábojů N, protože elektron má náboj záporný. U záporné vodivosti jsou elektrony převládajícími, tzv. majoritními nosiči náboje, zatímco díry jsou minoritními nosiči.

Jinou příměsí můžeme získat vodivost typu P. Tak např. atom india, galia, bóru či hliníku, dodá krystalické mřížce jednu nebo více děr. Příměsi vyvolávající kladnou vodivost P se nazývají akceptory. U kladné vodivosti jsou majoritními tzn. převládajícími nosiči kladné náboje — díry, zatímco minoritními nosiči jsou elektrony.

Z dosavadního je zřejmé, že dokážeme vyrobit po1ovodičový krystal s vodivostí typu N nebo P. Přirozeně nás zajímá, jak se zachová krystal, jehož jedna část vykazuje vodivost P, zatímco druhá vodivost N, jest1i~e k oběma částem piř1ožíme elektrické napětí. V prvním případě (viz. obr.) jsme přivedli kladné napětí do oblasti P a záporné napětí do oblasti N. Pro přesnost uvedeme, že obě oblasti P i N spolu co nejtěsněji sousedí. Místo styku vodivosti P a N nazýváme polovodičovým přechodem. Jestliže při1ožíme napětí, a bude to napětí včetně 0,4 V — u germaniového tranzistoru nebo diody,anebo 0,7 u křemíkového tranzistoru či diody, pak přechodem P-N ihned teče proud. Jak si to vysvětlujeme? K1adný pól zdroje odpuzuje kladné díry směrem do oblasti N a současně z druhé strany dochází k odpuzováni elektronů do oblasti P - zápornou polaritou. Přechod P-N je náhle zaplaven pohyb1ivými nosiči nábojů. Dosavadní odpor se výrazné změnil a prochází jim proud.

Jest1iže se kladný pól zdroje připojí k vodivosti P a záporný pól k vodivosti N, je přechod P-N polarizován v propustném směru.

Není těžké si představit, co se stane, když póly zdroje obrátíme. K1adný pól nyní směřuje k oblasti N, záporný pól k oblasti P. V tomto případě napětí zdroje neodpuzuje nosiče od elektrod, nýbrž naopak je přitahuje. Zároveň se oddalují náboje od přechodu P-N (viz. obr.). K1adný pól jakoby přitahoval záporné elektrony a záporný pól naopak díry. Proud přechodem P-N téměř neprochází. Nepatrnému proudu, který přece jen přechodem pronikne, říkáme závěrný proud. Je způsoben rekombinací elektronů a děr.

Přechod P-N je polarizován v závěrném směru, jest1iže k vodivosti P se připojí záporný pól a k vodivosti N kladný pól zdroje.