Polovodiče sú základom modernej elektroniky, ale čo presne sú a ako funguje ich kľúčový prvok – PN prechod? V tomto článku sa pozrieme na komplexný rozbor polovodičov a PN prechodu, ich vlastnosti a praktické využitie, aby ste boli pripravení na maturitu aj bežné štúdium.
Čo sú polovodiče? Podrobný úvod do ich sveta
Polovodiče sú špecifická skupina látok, ktoré svojimi elektrickými vlastnosťami stoja niekde medzi vodičmi a nevodičmi. Zatiaľ čo merný odpor vodičov sa pohybuje okolo 10⁻⁸ Ωm až 10⁻⁶ Ωm a nevodičov nad 10⁶ Ωm, polovodiče majú pri bežných teplotách merný odpor v rozsahu 10⁻⁶ Ωm až 10⁶ Ωm.
Kľúčovou vlastnosťou polovodičov nie je len ich merný odpor, ale aj jeho výrazná závislosť od teploty. Na rozdiel od kovov, kde merný odpor s teplotou rastie, u polovodičov merný odpor s rastúcou teplotou exponenciálne klesá. To je spôsobené zvyšujúcou sa koncentráciou voľných elektrónov, ktoré sú pri nízkych teplotách pevne viazané.
Mechanizmus vodivosti u polovodičov a nevodičov je rovnaký, ale líši sa aktivačná energia (E) potrebná na uvoľnenie valenčných elektrónov.
Typy vodivosti polovodičov: Vlastná a prímesová
Vo svete polovodičov rozlišujeme dva hlavné typy vodivosti:
- Vlastná (intrinzická) vodivosť
- Prímesová (extrinzická) vodivosť
Poďme sa na ne pozrieť bližšie.
Vlastná vodivosť: Čisté polovodiče
Ide o elektrickú vodivosť čistých polovodičov, napríklad kremíka, ktorý je prvkom IV. skupiny periodickej sústavy. Každý atóm kremíka je v monokryštáli kovalentne viazaný so štyrmi susednými atómami. Pri nízkych teplotách sú valenčné elektróny pevne viazané, čo z kremíka robí nevodič.
Ak však valenčný elektrón získa dostatočnú aktivačnú energiu, uvoľní sa a stane sa voľným. Na jeho mieste zostane prázdne miesto, ktoré sa správa ako fiktívna kladne nabitá častica – diera. Diera sa rovnako môže pohybovať a prispievať k elektrickej vodivosti. Tento proces sa nazýva generácia páru elektrón-diera.
S rastúcou teplotou vzniká viac takýchto párov. Súčasne prebieha aj opačný proces – rekombinácia, keď voľný elektrón obsadí miesto diery a obidve zaniknú. Pri danej teplote sa ustáli dynamická rovnováha medzi vznikajúcimi a zanikajúcimi pármi. Pre vlastnú vodivosť je charakteristická rovnaká koncentrácia voľných elektrónov a dier.
Prímesová vodivosť: Polovodiče typu N a P
Väčšie praktické využitie majú prímesové polovodiče, ktorých vodivosť je umelo ovplyvnená pridaním malého množstva iných prvkov – prímesí. V kremíku sa ako prímesy používajú prvky III. alebo V. skupiny.
-
Polovodič typu N (elektrónová vodivosť)
-
Ak atóm kremíka nahradíme atómom prvku V. skupiny (napr. fosfor, arzén, antimón), štyri valenčné elektróny vytvoria kovalentné väzby a jeden elektrón sa uvoľní. Táto prímes sa nazýva donor, pretože dodáva voľné elektróny.
-
V takomto polovodiči je vodivosť spôsobená prevažne voľnými elektrónmi a nazýva sa elektrónová vodivosť.
-
Polovodič typu P (dierová vodivosť)
-
Ak atóm kremíka nahradíme atómom prvku III. skupiny (napr. bór, hliník, gálium, indium), tri valenčné elektróny vytvoria väzby a jedno miesto vo väzbe zostane neobsadené – vznikne diera. Táto prímes sa nazýva akceptor, pretože „akceptuje“ elektrón z iného atómu, čím vznikne diera.
-
V tomto type polovodiča je vodivosť spôsobená prevažne dierami a nazýva sa dierová vodivosť.
PN prechod: Srdce polovodičových súčiastok
PN prechod je kľúčová oblasť v polovodiči, kde sa stykajú dve odlišné oblasti: polovodič typu P a polovodič typu N. Táto štruktúra je základom mnohých elektronických súčiastok, ako sú diódy alebo tranzistory.
Charakteristika PN prechodu a hradlovej vrstvy
Pozrime sa na to, čo sa deje na rozhraní P a N:
- Oblasť P obsahuje pohyblivé kladné diery a v mriežke viazané, po prijatí elektrónu záporné akceptory.
- Oblasť N obsahuje voľné elektróny a v mriežke viazané, po strate elektrónu kladné donory.
Hneď po vzniku PN prechodu nastáva difúzia: diery z oblasti P prechádzajú do oblasti N a elektróny z oblasti N do P, kde rekombinujú. Dôsledkom je, že v oblasti P zostane nevykompenzovaný záporný náboj akceptorov a v oblasti N nevykompenzovaný kladný náboj donorov. To vedie k vzniku difúzneho napätia a elektrického poľa, ktoré bráni ďalšej difúzii.
Oblasť okolo rozhrania, ktorá je zbavená voľných nábojov a má preto veľký odpor, sa nazýva hradlová vrstva.
Zapojenie PN prechodu: Priepustný a záverný smer
Elektrické vlastnosti PN prechodu sú silne závislé od spôsobu pripojenia vonkajšieho napätia.
Záverný smer PN prechodu
PN prechod je zapojený v závernom smere, ak je:
- Kladný pól zdroja pripojený na oblasť typu N.
- Záporný pól zdroja pripojený na oblasť typu P.
V takomto zapojení sa napätie medzi oblasťami N a P zväčšuje, čo spôsobuje rozšírenie hradlovej vrstvy. Priechodom prechádzajú len minoritné častice, a preto je prúd veľmi malý, takmer nulový.
Priepustný smer PN prechodu
PN prechod je zapojený v priepustnom smere, ak je:
- Kladný pól zdroja pripojený na oblasť typu P.
- Záporný pól zdroja pripojený na oblasť typu N.
Ak je vonkajšie napätie menšie ako difúzne napätie, prúd je malý, ale hradlová vrstva sa zužuje. Keď vonkajšie napätie prekročí hodnotu difúzneho napätia, hradlová vrstva zanikne, intenzita poľa v prechode zmení smer a priechodom začnú prechádzať majoritné častice. Prúd s rastúcim napätím exponenciálne rastie.
Kartičky
Ťukni na otočenie · Potiahni na navigáciu
Polovodičová dióda: Využitie PN prechodu
Polovodičová súčiastka s jedným PN prechodom sa nazýva polovodičová dióda. Z charakteristiky PN prechodu vyplýva, že dióda je nelineárny dvojpól.
- Vývod pripojený k časti P sa nazýva anóda.
- Vývod pripojený k časti N sa nazýva katóda.
Polovodičové diódy sa primárne používajú na usmerňovanie striedavých prúdov, ale nájdeme ich aj v aplikáciách ako demodulácia signálov, spínacie prvky alebo stabilizátory napätia.
Otázky a odpovede: Zhrnutie pre študentov
Aký je hlavný rozdiel medzi vodičmi a polovodičmi z hľadiska závislosti odporu od teploty?
U vodičov (kovov) merný odpor s rastúcou teplotou takmer lineárne rastie, zatiaľ čo koncentrácia voľných elektrónov je relatívne stála. U polovodičov merný odpor s rastúcou teplotou exponenciálne klesá, pretože sa zväčšuje koncentrácia voľných elektrónov.
Čo je to diera a ako vzniká v polovodiči?
Diera je fiktívna kladne nabitá častica, ktorá vzniká, keď valenčný elektrón opustí svoju väzbu a stane sa voľným. Prázdne miesto po elektróne sa správa ako diera a môže sa pohybovať, čím prispieva k elektrickej vodivosti.
Aký je rozdiel medzi donorovou a akceptorovou prímesou?
Donorová prímes (prvok V. skupiny, napr. fosfor) dodáva polovodiču voľné elektróny, čím vzniká polovodič typu N s elektrónovou vodivosťou. Akceptorová prímes (prvok III. skupiny, napr. bór) vytvára v polovodiči diery, čím vzniká polovodič typu P s dierovou vodivosťou.
Prečo vzniká hradlová vrstva v PN prechode?
Hradlová vrstva vzniká v dôsledku difúzie elektrónov a dier cez rozhranie PN prechodu. Keď sa diery a elektróny rekombinujú, na ich pôvodných miestach zostanú nevykompenzované viazané náboje akceptorov (záporné) a donorov (kladné). Tieto náboje vytvárajú elektrické pole a difúzne napätie, ktoré bránia ďalšej difúzii a oblasť zbavenú voľných nosičov náboja nazývame hradlová vrstva.
Aké sú hlavné aplikácie polovodičovej diódy?
Polovodičová dióda sa používa najmä na usmerňovanie striedavých prúdov. Okrem toho slúži aj na demoduláciu signálov, ako spínací prvok a ako stabilizátor napätia.