Polovodiče sú fascinujúce materiály, ktoré stoja na pomedzí vodičov a izolantov. Ich schopnosť meniť svoju vodivosť v závislosti od vonkajších podmienok, ako je teplota, svetlo alebo prítomnosť prímesí, ich robí neoceniteľnými v modernej elektronike. Kľúčom k pochopeniu správania polovodičov je koncept zakázaného pásma.
Štruktúra a energetické pásma
V tuhých látkach sú atómy usporiadané do kryštalickej mriežky. Na jadrá atómov sú viazané elektróny, pričom elektróny bližšie k jadru sú viazané väčšou silou než elektróny vzdialenejšie od jadra. Elektróny s najmenšou väzbovou energiou sa nazývajú valenčné elektróny; ich väzbová energia vytvára v energetickom diagrame pásmo nazývané valenčné pásmo (VB). Niektoré elektróny sú však schopné sa od jadra odtrhnúť a voľne sa pohybovať v látke, čo je podstatou elektrickej vodivosti. Tieto elektróny tvoria tzv. vodivostné pásmo (CB).
Šírka zakázaného pásma (Eg) je energia potrebná na prechod elektrónu z valenčného pásma do vodivostného pásma. Táto šírka určuje elektrickú vodivosť materiálu. Rozdiely medzi materiálmi môžeme zhrnúť nasledovne:
- Vodiče: Majú nulové zakázané pásmo, valenčné a vodivostné pásmo sa prekrývajú.
- Polovodiče: Majú úzke zakázané pásmo (typicky menej ako 2 eV).
- Izolanty: Majú široké zakázané pásmo, viac než asi 3 eV.
How electrical conductors work animation
Pohyb nosičov náboja
Základným zdrojom energie, vďaka ktorej prechádzajú elektróny z valenčného do vodivostného pásma, je teplo (tepelné kmity kryštalickej mriežky). Pri dopade fotónu (svetla) s dostatočnou energiou môže tiež dôjsť k prechodu elektrónu do vodivostného pásma. Keď elektrón opustí valenčné pásmo, vznikne diera, čo je voľné miesto s kladným nábojom. Valenčné elektróny zo susedných atómov sa môžu presúvať do týchto dier, čím vzniká mechanizmus elektrickej vodivosti, ktorý navonok vyzerá, akoby sa presúval kladný elektrický náboj.
| Materiál | Šírka zakázaného pásma (Eg) | Elektrická vlastnosť |
|---|---|---|
| Kov (Vodič) | 0 eV | Vysoká vodivosť |
| Polovodič (napr. Si) | ~1,1 eV | Ovplyvniteľná vodivosť |
| Izolant | > 3 eV | Veľmi nízka vodivosť |
Dotovanie a zmeny vlastností
Pridaním malého množstva prímesí do polovodičov sa výrazne menia ich vlastnosti:
- Dotovanie typu N: Pridaním prvku s väčším počtom valenčných elektrónov (donor), ako je fosfor alebo arzén, sa zvyšuje koncentrácia voľných elektrónov vo vodivostnom pásme.
- Dotovanie typu P: Pridaním prvku s menším počtom valenčných elektrónov (akceptor), ako je bór, hliník, gálium alebo indium, sa zvyšuje koncentrácia dier vo valenčnom pásme.
Spojením polovodiča s vodivosťou typu N a polovodiča s vodivosťou typu P vznikne p-n prechod, ktorý je základným prvkom modernej elektroniky, využívaným v diódach, tranzistoroch a integrovaných obvodoch. Práve schopnosť precízne riadiť šírku zakázaného pásma a koncentráciu nosičov náboja umožňuje konštruovať komplexné digitálne systémy, ktoré tvoria základ dnešných technológií.
tags: #zakazane #pasmo #jednotlivych #prvkov