Elektrická vodivost polovodičůU polovodičů existují dva typy vodivosti, tzv. vlastní a nevlastní vodivost. Vlastní (intrinsickou) vodivostí se vyznačují všechny polovodiče, nevlastní vodivost existuje jen u tzv. příměsových (dotovaných, extrinzických, nevlastních, legovaných) polovodičů. Vlastní polovodičeDokonalý vlastní polovodič (dokonalý krystal bez poruch a příměsí) se v přírodě nevyskytuje, při pečlivé výrobě se mu však můžeme přiblížit. Vlastní (intrinzický) polovodič se podobá izolantu. Za teploty 0 K je vodivostní pás prázdný, tj. v polovodiči nejsou žádné volné elektrony, které by mohly vést proud. Vlivem teploty nebo jiného vnějšího vlivu však může elektron získat dostatečnou energii a "přeskočit" do vodivostního pásu. Hovoříme o tzv. ionizaci, k níž je nutné určité množství tzv.ionizační energie. Ionizační energie (užívá se i termín aktivační energie) je nutná k překonání zakázaného pásu a uvolnění elektronu z vazby, její velikost musí tedy být nejméně EG. Elektron, který se uvolní, zanechá po sobě ve valenčním pásu atom postrádající jeden elektron (chová se potom jako kladný iont). Tento kladný iont se může zneutralizovat přijetím elektronu, který k němu přejde ze sousedního atomu. Tím se však z tohoto sousedního atomu stane kladný iont a může být opět zneutralizován příchodem dalšího elektronu. Vidíme, že atomy se jako pevná součást mřížky nepohybují, ale kladný náboj se může přemisťovat. Tento kladný náboj nazýváme díra. Přestože díra jako reálná částice neexistuje, je užitečné jí přiřadit některé vlastnosti materiální částice (podobné, jako má elektron, ale opačný náboj +q). Obr. 2-4 Vznik páru elektron díra. Ve vlastních polovodičích mohou tedy přenášet elektrický proud za teplot nad 0 K jednak volné elektrony ve vodivostním pásu (každý elektron přenáší náboj -q), jednak pohyblivé díry ve valenčním pásu (náboj +q). Pro obě tyto částice se užívá název nosiče (nebo nositelé) náboje. Protože současně vzniká volný elektron a pohyblivá díra, hustota elektronů se rovná hustotě děr:
( 2-2 ) kde Je užitečné si zapamatovat, že intrinzická koncentrace nosičů je při 300 K pro křemík 1016 m-3 (1010 cm-3) a pro germanium 1019 m-3 (1013 cm-3), intrinzická koncentrace však silně závisí na teplotě. Proces uvolňování elektronů při ionizaci atomů nezpůsobuje změnu výsledného náboje daného objemu polovodiče (po uvolněném elektronu zůstává v krystalové mřížce ionizovaný atom s kladným nábojem). Vlastní polovodiče jsou tedy při teplotách kolem 300 K vodiče elektrického proudu, vlivem závislosti intrinzické koncentrace na teplotě i jejich vodivost silně závisí na teplotě. Rozsah jejich měrných odporu je přibližně 10-2 až 109 Wcm (dobré vodiče mají měrný odpor < 10-6 Wcm, izolanty > 1014 Wcm). Nevlastní polovodičeNa elektrickou vodivost polovodičů mají výrazný vliv cizí atomy zabudované do krystalové mřížky (poruchy), které jsou v reálném krystalu vždy přítomny. Příměsové atomy jsou do co nejčistšího materiálu zaváděny i uměle, abychom získali materiál s vhodnými elektrickými vlastnostmi. Tento technologický postup, kdy se do základního materiálu přidávají atomy cizích prvků, nazýváme dotování (nebo též dopování či legování; přidávaná látka se nazývá dopant či legura). Nejčastěji přitom vstupují atomy příměsí do krystalové mřížky jako náhrada některých původních atomů (tzv. substituce). Polovodič typu NObr. 2-5 Příměsový polovodič typu N. Je-li
atom krystalové mřížky čtyřmocného prvku (prvku IV.
skupiny - např. Si, Ge) nahrazen atomem pětimocného prvku (prvku
V. skupiny - např. P, As, Sb), pak čtyři z jeho valenčních
elektronů se účastní vytvoření vazby se sousedními
atomy, pak elektron je nadbytečný a je vázán
k atomu velmi slabě. Tento
elektron může být uvolněn
dodáním velmi malé (aktivační) aktivační energie a
účastnit se vedení proudu. Typická hodnota aktivační energie
je asi 0,05 eV pro běžné příměsi v Si; každá
příměs má svoji typickou
hodnotu aktivační energie.
Tuto energii elektron získá už
při nízkých teplotách, takže
při pokojové teplotě jsou téměř všechny
atomy příměsi ionizovány.
Vznikají tak kladné ionty příměsí,
které zůstávají v mřížkových polohách, a volné elektrony.
Proto se pětimocné příměsi nazývají donory
(dodávají elektrony do vodivostního pásu). Polovodič typu PPodobně nahradíme-li
atom krystalové mřížky čtyřmocného prvku atomem
trojmocného prvku (prvku III. skupiny - např. B, In, Ga, Al), pak se všechny tři jeho
valenční elektrony účastní vazeb se sousedními atomy a
čtvrtá zůstane neúplná. Stačí malá energie
k tomu (opět typická hodnota je
asi 0,05 eV pro Si), aby se některý z elektronů ze
sousedních vazeb uvolnil a zaplnil neúplnou
vazbu trojmocného atomu - tj.
trojmocný atom se ionizuje záporně a vytvoří v
sousedství "kladnou"
díru (tj. nedostatek jednoho elektronu). Tato díra se
může pohybovat Obr. 2-6 Příměsový polovodič typu P. ležící těsně nad stropem valenčního pásu (EV) (viz obr. 2-6). Již za malé teploty jsou téměř všechny akceptorové příměsi ionizovány a ve valenčním pásu jsou vytvořeny díry, které v polovodiči typu P (v polovodiči s děrovou vodivostí) převažují jako nosiče proudu - majoritními nosiči jsou zde díry. Vodivost příměsových polovodičů (typu N a P) se nazývá souborně nevlastní (extrinzickou) vodivostí. Při ionizaci (aktivaci) příměsi vzniká jeden pohyblivý nosič a jeden nepohyblivý iont. Při ionizaci atomů ve vlastních (intrinzických) polovodičích vzniká pohyblivý elektron a pohyblivá díra. Případ vlastního polovodiče bez příměsi i případy čistě donorového nebo čistě akceptorového polovodiče (bez příměsi opačného typu) jsou případy pouze teoretické, protože reálné technologické možnosti nám neumožňují takovéto ideální polovodiče vyrobit. Při zvyšování koncentrace příměsí se donorové nebo akceptorové hladiny štěpí - vznikají pásy příměsí. Při velké koncentraci příměsí splývá akceptorova hladina s valenčním pásem a donorova hladina s vodivostním pásem - polovodič se chová jako kov (degenerovaný polovodič). |
|
[MENU | LITERATURA | SYMBOLY] |