FYZIKÁLNÍ PODSTATA ELEKTRICKÉ VODIVOSTI ELEKTROTECHNOLOGIE POLOVODIČE FYZIKÁLNÍ PODSTATA ELEKTRICKÉ VODIVOSTI

DOSAVADNÍ POZNATKY VODIČE – kovové krystaly s volnými elektrony v podobě „elektronového plynu“ = při pokojové teplotě je každý atom ionizovaný (10e28 / m3) POLOVODIČE – kovalentní krystaly – atomy spojené společnými elektronovými dvojicemi PEVNÁ KOVALENTNÍ VAZBA = elektronové vazby jsou velmi pevné a pro uvolnění z vazeb vyžadují dodání značné energie (např. Ge 0,7eV. Si 1,11eV) = potřebná energie může mít charakter tepla, světla, kosmického nebo jiného záření - tzv. vlastní vodivost = vodivost zvyšují nečistoty a příměsi – tzv. nevlastní (příměsová) vodivost

CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI NEJVÝZNAMNĚJŠÍ JSOU U POLOVODIČŮ VELIČINY ELELKTROFYZIKÁLNÍ A Z NICH PŘEDEVŠÍM: = konduktivita a rezistivita = koncentrace elektronů a děr = pohyblivost elektronů a děr = šířka zakázaného pásu = aktivační energie donorů a akceptorů = relativní permitivita = výstupní práce VŠECHNY ZÁVISÍ NA ŘADĚ VNĚJŠÍCH ČINITELŮ, ZEJMÉNA NA TEPLOTĚ, ZÁŘENÍ A POD.

VLASTNÍ VODIVOST VODIVOST VLASTNÍCH POLOVODIČŮ (TAKÉ AMFOTERNÍCH NEBO INTRINZICKÝCH) = při tepelné rovnováze stejný počet volných elektronů jako děr = stav nastane pouze ve zcela čistém polovodiči = elektrony a díry tvoří PÁRY VOLNÝCH NOSIČŮ NÁBOJE ELEKTRON - DÍRA = páry volných nosičů vzniknou působením ionizační energie = působením vnějšího elektrického pole vzniká usměrněný tok elektronů a děr – elektrický proud = obsazením díry volným elektronem pár zaniká = zánik páru elektron – díra: REKOMBINACE

ATOMOVÁ TEORIE E + W – VNĚJŠÍ IONIZAČNÍ ENERGIE ELEKTRONY VE VAZBĚ DÍRA – FIKTIVNĚ KLADNÁ VOLNÝ ELEKTRON – ZÁPORNÝ 1 – VZNIK PÁRU ELEKTRON – DÍRA 2 – POHYB DÍRY PŮSOBENÍM TEPLA NEBO NĚJAKÉHO DRUHU ZÁŘENÍ SE PŘI POKOJOVÉ TEPLOTĚ NĚKTERÉ ATOMY IONIZUJÍ ELEKTRON NEJVÍCE VZDÁLENÝ OD JÁDRA SE UVOLNÍ Z VAZBY A VZNIKNE PÁR VOLNCH NOSIČŮ NÁBOJE ELEKTRON – DÍRA ELEKTRON SE POHYBUJE VLIVEM VNĚJŠÍHO POLE E, DÍRA SE MŮŽE POHYBOVAT PŘESKOKEM JINÉHO VALENČNÍHO ELEKTRONU (šipky) DO DÍRY (vznikne jiná) Si e- c 1 Si Si Si ¨ 2 ¨ Si W

PÁSOVÁ TEORIE PÁSOVÝ MODEL KOVU POLOVODIČE PAULIHO PRINCIP W W Wv Wc ZAKÁZANÝ Wc Wv PÁS Wc – energie vodivostního pásu Wv – energie valenčního pásu PAULIHO PRINCIP - energii elektronů lze měnit po skocích, ne spojitě - na jedné hladině energie smí být maximálně 2 elektrony U KOVŮ SE OBA PÁSY PŘEKRÝVAJÍ – VALENČNÍ ELEKTRONY JSOU VE VODIVÉM PÁSU U POLOVODIČŮ JE NUTNO PŘEKONAT ZAKÁZANÝ PÁS (podle polovodiče do 3,6eV)

NEVLASTNÍ – PŘÍMĚSOVÁ VODIVOST PŘIDÁNÍM VHODNÉ PŘÍMĚSI LZE ZVĚTŠIT POČET ELELKTRONŮ NEBO DĚR – NOSIČŮ NÁBOJE NAVÍC K VOLNÝM PÁRŮM ELEKTRON – DÍRA PODMÍNKA – VODIVOST LZE ŘÍDIT JEN U VELMI ČISTÝCH POLOVODIČŮ (hraniční čistota - Ge 10e-7, Si 10e-11) NEVLASTNÍ VODIVOST TYPU P ( POLOVODIČ P ) = příměs s menším počtem elektronů ( trojvazný prvek akceptor) NEVLASTNÍ VODIVOST TYPU N ( POLOVODIČ N ) = příměs s větším počtem elektronů ( pětivazný prvek donor ) STAČÍ VELMI MALÉ MNOŽSTVÍ PŘÍMĚSI = např. Ge – příměs 0,000 001% (čistota Ge 99,999 999%)

POLOVODIČ TYPU P E + ELEKTRONY VE VAZBĚ DÍRA – FIKTIVNĚ KLADNÁ In – AKCEPTOR – TROJVAZNÝ PRVEK, SCHOPNÝ PŘIJMOUT ELEKTRON DO VAZBY S KŘEMÍKEM NAHRAZENÍM ATOMU ČISTÉHO POLOVODIČE TROJVAZNÝM PRVKEM VZNIKNE V KOVALENTNÍ VAZBĚ DÍRA, DO KTERÉ MŮŽE PŘESKOČIT ELEKTRON Z JINÉ VAZBY POHYB DÍRY MEZI ATOMY POLOVODIČE UMOŽŇUJE VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU POLOVODIČEM UMOŽŇUJE VEDENÍ PROUDU PŘI POKOJOVÉ TEPLOTĚ MENŠÍ RYCHLOST POHYBU NEŽ MAJÍ ELEKTRONY ( 3 – 4x ) Si Si In3 Si ¨ ¨ e- Si

POLOVODIČ TYPU N E + ELEKTRON VE VAZBĚ VOLNÝ ELEKTRON P – DONOR – PĚTIVAZNÝ PRVEK SCHOPNÝ DODAT VOLNÝ ELEKTRON PRO VEDENÍ PROUDU NAHRAZENÍM ATOMU ČISTÉHO POLOVODIČE PĚTIVAZNÝM PRVKEM ZŮSTANE KOVALENTNÍ VAZBA ZACHOVÁNA ELEKTRON NAVÍC JE SCHOPEN VÉST ELEKTRICKÝ PROUD, ATOM JE IONIZOVÁN UŽ PŘI POKOJOVÉ TEPLOTĚ RYCHLOST POHYBU PODLE DRUHU POLOVODIČE – VĚTŠÍ NEŽ U DĚR Si e- c Si P5 Si ¨ Si

PÁSOVÁ TEORIE POLOVODIČ P N donory šířka jen 10e-2 eV POLOVODIČ P akceptory šířka jen 10e-2 eV POLOVODIČ P = hladina akceptorů je na řádově stejné hodnotě , jako energie tepelného pohybu od valenčního pásu polovodiče POLOVODIČ N = hladina donorů je na řádově stejné hodnotě, jako energie tepelného pohybu od vodivostního pásu polovodiče PŘI POKOJOVÉ TEPLOTĚ VEDOU OBA POLOVODIČE ELEKTRICKÝ PROUD W W Wc Wc WD WA Wv Wv

DŮLEŽITÉ ZÁVĚREM V PŘÍMĚSOVÉM POLOVODIČI SOUČASNĚ VZNIKAJÍ PÁRY NOSIČŮ ELEKTRON – DÍRA (také z nečistot) DŮSLEDEK: = v polovodičích P jsou i volné elektrony (menšinové – minoritní nosiče) společně s volnými děrami ( většinové – majoritní nosiče) = v polovodičích N jsou i volné díry ( menšinové – minoritní nosiče) společně s volnými elektrony (většinové – majoritní nosiče) = oba druhy volných nosičů náboje se podílejí na vedení proudu v polovodičích P a N ( ve vlastních také, ale bez významu) POJMY MAJORITNÍ A MINORITNÍ NOSIČE NÁBOJE UMOŽŇUJÍ POCHOPIT DŮLEŽITÉ TECHNICKY VYUŽITELNÉ JEVY V POLOVODIČÍCH