Orbis pictus 21. století Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu

Vodivost polovodičů OB21-OP-EL-ZEL-JANC-L-3-018

 Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit.  Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné, elektrické nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči.  Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS aj.  Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní (některá skla).

Vodivost polovodičů Obr. 1 Kovalentní vazba křemíku – polovodič s vlastní vodivostí Atomy čistých polovodičů jsou v krystalu vázány kovalentní vazbou, která se vytváří čtyřmi valenčními elektrony se čtyřmi elektrony nejbližších atomů (viz obr 1). Při teplotě 0° K (tj ,16 °C) je čistý křemík izolantem, poněvadž nemá volné elektrony.

Vodivost polovodičů  Zahřeje-li se křemík na vyšší teplotu, např. 20° C, poruší se vazby mezi dvěma sousedními atomy.  Elektron získá zahřátím takovou energii, že je schopen překonat vazební síly, které ho poutají k jádru, opustí své místo a začne se pohybovat v krystalové mřížce.  Odpoutáním elektronu od atomu se poruší jeho neutralita, vznikne tzv. kladná díra – místo, které vykazuje kladný elektrický potenciál.  Tento jev nenastává jenom v jednom atomu, ale ve velkém množství atomů.

Vodivost polovodičů  Přiložíme-li na polovodič elektrické napětí, vytvoří se tok volných elektronů, vznikne elektrický proud.  Kladné díry se mohou přemisťovat pomocí přeskoků elektronů a tento pohyb způsobuje tzv. děrovou vodivost.  Směr pohybu kladných děr je opačný ke směru pohybu elektronů a celkový elektrický proud v polovodiči se rovná součtu proudu způsobeného elektrony a proudu způsobeného kladnými děrami.

Vodivost polovodičů  Při pohybu odpoutaného elektronu se může stát, že elektron odpoutaný od jednoho atomu zapadne do díry v jiném atomu.  Atom, který znovu přijme elektrony, se stává neutrálním. Tomuto jevu říkáme rekombinace elektronu s dírou.  Počet volných elektronů je stále roven počtu kladných děr, takže nositeli elektrického proudu jsou jak elektrony, tak i díry. Takový polovodič nazýváme polovodič s vlastní vodivostí.  Volné elektrony, resp. kladné díry lze do polovodiče dostat také pomocí příměsí. I malé množství příměsi (tisíciny procenta) může vést k dostatečně velkému zvětšení vodivosti. Této vodivosti říkáme nevlastní vodivost.

Vodivost polovodičů Obr. 2 Křemík znečištěný fosforem

Vodivost polovodičů  Nahradíme-li např. atom křemíku atomem fosforu (obr. 2), který je pětimocným prvkem, zúčastní se kovalentní vazby se sousedními atomy křemíku pouze 4 valenční elektrony.  Pátý, přebytečný valenční elektron je sice přitahován kladným nábojem jádra atomu fosforu, ale vlivem elektronů okolních atomů křemíku je tato přitažlivá síla menší.  Při zahřátí polovodiče se přebytečný elektron snadno uvolní a pohybuje se potom jako volný elektron v krystalové mřížce.  Atom fosforu přispívá tedy jedním elektronem ke vzniku elektrického proudu, a proto se nazývá donorem (latinsky donor = dárce).

Vodivost polovodičů  Jakmile ztratí donor svůj pátý elektron, vytvoří se v krystalové mřížce nepohyblivý iont.  Při normální teplotě jsou všechny atomy fosforu, tzv. příměsné atomy, ionizovány a uvolněné elektrony vytvářejí nevlastní čili příměsnou vodivost.  V takovémto polovodiči převládají elektrony vlastní a nevlastní vodivosti nad dírami vlastní vodivosti.  Polovodič tohoto typu proto označujeme jako polovodič typu N (negativní).

Vodivost polovodičů Obr. 3 Křemík znečištěný bórem

Vodivost polovodičů  Je-li křemík znečištěn některým trojmocným prvkem, např. bórem, nemůže nastat kovalentní vazba se sousedními atomy křemíku z nedostatku jednoho elektronu (obr. 3).  Toto neobsazené místo v kovalentní vazbě se při zvýšené teplotě snadno doplňuje elektronem od sousedního atomu křemíku, ve kterém vznikne kladná pohyblivá díra, neboť při průtoku elektrického proudu dochází k rekombinaci páru díra – elektron.

Vodivost polovodičů  Elektron přijatý atomem bóru poruší jeho neutralitu a v krystalové mřížce se objeví nepohyblivý záporný iont.  Bóru a příměsím tohoto druhu říkáme akceptory (latinsky akceptor = příjemce).  Vytvářejí také nevlastní vodivost polovodiče.  Ale protože elektrony vlastní vodivosti jsou nad kladnými dírami vlastní i nevlastní vodivosti v menšině.  Tento typ polovodiče označujeme písmenem P (pozitivní).

Vodivost polovodičů  Oba typy příměsových polovodičů kromě svých většinových (majoritních) nosičů elektrického náboje obsahují i menší počet opačně nabitých menšinových nosičů (minoritních), které jsou v polovodičových součástkách většinou nežádoucí.  Jejich množství závisí na teplotě, proto příměsové polovodiče mívají teplotně omezený rozsah správné činnosti.

 Děkuji za pozornost  Ing. Ladislav Jančařík

Literatura  J. Kubrycht, R. Musil, L. Voženílek: Elektrotechnika pro 1. ročník učebních oborů elektrotechnických, SNTL Praha 1980  V. Suchánek: Dioda, tranzistor a tyristor názorně, SNTL Praha 1983 