Polovodiče

Polovodiče jsou látky, které jsou z hlediska rezistivity na rozmezí mezi vodiči a nevodiči.

Mají tyto charakteristické vlastnosti:
~ jejich rezistivita bývá v rozmezí asi čtrnácti řádů, od 10-6 do 108
~ rezistivita velmi závisí na čistotě; nepatrným množstvím příměsí se změní o několik řádů (zatímco u vodičů nanejvýš o jeden řád),
~ polovodiče mají záporný teplotní součinitel odporu , takže se stoupající teplotou se zvětšuje konduktivita,
~ průchodem proudu se nemění chemické ani strukturální vlastnosti polovodičů (přenos náboje je zprostředkován, stejně jako v kovech, elektrony),
~ při teplotách blízkých 0 K se polovodiče stávají nevodiči (izolanty),
~ vlastnosti polovodičů lze v širokém rozmezí ovlivňovat složením a strukturou.

Elektronická součástka, jejíž funkční částí je polovodič, se obecně nazývá polovodičová součástka. V současné době existuje nesmírné množství druhů a typů polovodičových součástek, od jednoduchých až k nejsložitějším – integrovaným obvodům. Z hlediska provozních vlastností mají polovodičové součástky tyto výhody:
~ mají malé rozměry a malou hmotnost; umožňují integraci elektrických obvodů (tj. umístění velkého množství obvodových prvků do jednoho pouzdra), a tím miniaturizaci zařízení,
~ mají malou spotřebu energie, jejich provoz je hospodárný,
~ jsou použitelné v širokém rozsahu frekvencí (v závislosti na principu a konstrukci),
~ lze vyrobit součástky pro přímou přeměnu energie (např. slunečního zaření, energie magnetického pole),
~ během provozu pracují spolehlivě, mají velkou životnost,
~ při výrobě polovodičových součástek nedochází k znečištění životního prostředí.

Podle chemického složení rozlišujeme polovodivé prvky (Ge, Si, Se) a polovodivé sloučeniny (dvousložkové – binární, např. GaAs a trojsložkové – ternární).
Podle struktury dělíme polovodiče na krystalické (Ge, Si) a amorfní (oxidy, sulfidy, atd). V praxi mají největší význam krystalické polovodiče, přesněji řečeno jejich monokrystaly.

Vodivost polovodičů
(vodivost polovodičů se dělí na vlastní a nevlastní)
1) Vlastní polovodiče – Valenční pás u tohoto polovodiče je plně obsazený, ve vodivostním pásu při teplotě blízké 0 K nejsou elektrony. Zvýšíme-li teplotu tohoto polovodiče dojde k ecitaci (vybuzení) – elektrony přejdou do vyšších energetických hladin. Elektrony na nejvyšší energetické hladině valenčního pásu (W2) některých atomů získají takovou energii, že mohou překonat zakázaný pás a dostat se do vodivostního pásu. Tyto elektrony způsobují elektronovou vodivost neboli vodivost N.
Tím, že elektron opustil elektronovou hladinu W2, zůstane na této hladině místo bez elektronu, které se projevuje jako místo s kladným nábojem. Toto místo se nazývá díra. Působením elektrického pole, teploty apod. může do díry přeskočit elektron, což se projeví stejně, jako by se díra přemístila do polohy, kterou původně zaujímal přeskakující elektron. Postupným přeskakováním elektronů se tedy díra posouvá polovodičem. Tak vzniká děrová vodivost neboli vodivost P.
Polovodič, který je dokonale čistý a má stejný počet elektronů i děr, se nazývá vlastní polovodič.


2) Nevlastní polovodiče – Vlastnosti polovodiče do značné míry závisejí na čistotě, proto se snažíme vyrobit polovodič co nejčistší. Nevlastní polovodič je mírně znečištěn příměsemi. Typickými krystalickými polovodiči jsou germanium a křemík. Oba prvky vytvářejí kovalentní krystaly se čtyřmi vazebnými elektrony.
Jestliže přidáme ke křemíku jako příměs některý pětimocný prvek, např. antimon Sb , nahradí atomy antimonu některé atomy křemíku v mřížce. Čtyři z pěti jeho valenčních elektronů nahradí vazbu valenčních elektronů atomu křemíku, pátý valenční elektron zůstane jen slabě vázaný, neboť se nezúčastní kovalentní vazby. Působí-li na krystal stejnosměrné elektrické pole, pohybují se tyto elektrony ke kladnému pólu – způsobují elekronovou vodivost. Takto získaný polovodič se nazývá polovodič N, a protože je jeho vodivost způsobena příměsí, jde o polovodič nevlastní.
Atom pětimocného (antimon) prvku tu plní funkci dodavatele elektronů. Proto se tato příměs nazývá donor (z latinského dono = darovat). V pásovém schématu odpovídá donorům energetická hodnota, která se nachází uvnitř zakázaného pásu těsně pod vodivostním pásem. Nazýváme ji hladina donorů. Vzhledem k tomu, že šířka zakázaného pásu mezi hladinou donorů a vodivostním pásem je malá, stačí jen malá energie k tomu, aby se přebytečné valenční elektrony donorů staly vodivostními. Tyto elektrony se již při normální teplotě nacházejí ve vodivostním pásu. Jestliže ke křemíku přidáme příměs trojmocného prvku, např. india (In) nahradí atomy india některé atomy křemíku v krystalové mřížce. Ve vazbě však bude chybět jeden elektron. Toto místo má charakter kladného náboje. Takové místo se nazývá díra. Po vložení krystalu do stejnosměrného elektrického pole přeskočí vazebný elektron nejbližšího atomu na místo díry, tím vznikne další díra na místě, kde se původně nacházel tento elektron, tento děj se stále opakuje, takže v celkovém pohledu se jeví jako pohyb díry směrem k zápornému pólu – díry tedy způsobují děrovou vodivost. Takový polovodič se nazývá polovodič P.

Atom trojmocného prvku (indium) přijímá do své chybějící vazby elektron z vlastního polovodiče. Proto tato příměs dostala název akceptor (z latinského accepto = přijímat). V pásovém schématu odpovídá akceptorům energetická hladina v zakázaném pásu v blízkosti valenčního pásu. K přemístění elektronu z nejvyšší hladiny valenčního pásu je zapotřebí jen malá enrgie. Tímto přemístěním vznikne díra na hladině, na níž se původně nacházel valenční elektron. Náboje v polovodičích tedy přenášejí pouze pohyblivé nosiče náboje – elektrony a díry. Nevlastní polovodič obsahuje vždy oba typy nosičů náboje. Ty nosiče, jejichž koncentrace v polovodiči převažuje, se nazývají většinové neboli majoritní (z latinského maior = větší). Ty, které jsou v polovodiči v menšině, se označují názvem menšinové neboli minoritní (z latinského minor = menší). Výslednou vodivost polovodičů určují majoritní nosiče. V polovodiči N jsou tedy majoritní nosiče elektrony a minoritní díry, v polovodiči P je tomu naopak.
Elektrické vlastnosti polovodičů jsou dány především nosiči elektrického náboje. Nosiče elektrického náboje charakterizuje jejich pohyblivost, efektivní hmotnost, difúzní konstanta, koncentrace a doba života.