Zhrnutie na Polovodiče a PN prechod

## Úvod Polovodiče sú látky so špecifickými elektrickými vlastnosťami medzi vodičmi a nevodičmi. Ich vodivosť silno závisí od teploty a od prítomnosti prímesí. Tento materiál vysvetľuje základné mechanizmy vodivosti v polovodičoch, rozdelenie na vlastnú a prímesovú vodivosť, a praktické použitia v každodennom živote. > **Definícia:** Polovodič je materiál, ktorého merný odpor pri bežných teplotách leží približne v rozsahu $10^{-6}\ \Omega\,\mathrm{m}$ až $10^{6}\ \Omega\,\mathrm{m}$ a ktorého vodivosť výrazne závisí od teploty a prímesí. ## Základné pojmy a princípy ### Merný odpor a jeho závislosť na teplote - U kovov merný odpor s rastúcou teplotou takmer lineárne rastie, pretože koncentrácia voľných elektrónov v kovoch je od teploty prakticky nezávislá. - U polovodičov merný odpor s rastúcou teplotou exponenciálne klesá, pretože stúpa koncentrácia voľných nosičov náboja. > **Definícia:** Aktivačná energia $E$ je energia potrebná na uvoľnenie valenčného elektrónu, aby sa stal voľným nosičom náboja. ### Mechanizmus vodivosti v polovodičoch - Pri nízkych teplotách polovodiče a nevodiče obsahujú veľmi málo voľných elektrónov, preto nevedú prúd. - S rastúcou teplotou sa uvoľňujú valenčné elektróny, zvyšuje sa koncentrácia voľných elektrónov a množstva dier, čo znižuje merný odpor. ### Generácia páru elektrón–diera a rekombinácia - Generácia: valenčný elektrón získa energiu $E$ a stane sa voľným; po ňom zostane diera. - Rekombinácia: voľný elektrón zaujme miesto diery a pár zanikne. - Pri danej teplote vzniká dynamická rovnováha medzi generáciou a rekombináciou. ## Vlastná (intrinzická) vodivosť - Vlastná vodivosť je charakteristická pre čisté polovodiče bez prímesí. - Počet voľných elektrónov je rovnaký ako počet dier: $n = p$, kde $n$ je koncentrácia elektrónov a $p$ koncentrácia dier. > **Definícia:** Vlastný polovodič je čistý polovodič, v ktorom vodivosť vyvoláva generácia párov elektrón–diera. Príklad (kremík): - Kremík je prvok IV. skupiny, každý atóm sa viaže k štyrom susedom kovalentne. - Pri nízkych teplotách sú valenčné elektróny viazané; ak elektrón získa energiu $E$, vznikne voľný elektrón a diera. ## Nevlastná (prímesová) vodivosť - Väčšina polovodičových súčiastok využíva prímesové polovodiče, kde vodivosť určuje prítomnosť prímesí. - V kremíku sa často používajú prímesy z III. a V. skupiny periodickej sústavy. Tabuľka porovnania vlastnej a prímesovej vodivosti: | Vlastnosť | Vlastná vodivosť | Prímesová vodivosť | |---|---:|---:| | Zdroj nosičov | Generácia termálnou energiou | Atómové prímesy (donory/akceptory) | | Pomerné koncentrácie | $n = p$ | $n \gg p$ alebo $p \gg n$ | | Typ nosiča | elektróny a diery | prevažne jeden typ (elektróny alebo diery) | | Použitie | základné štúdium | polovodičové súčiastky | ### Donory a akceptory - Donor (prímes z V. skupiny, napr. fosfor): dodá voľný elektrón. Polovodič typu N má prevahu elektrónov. - Akceptor (prímes z III. skupiny, napr. bór): vytvorí miesto (dieru) vo väzbe. Polovodič typu P má prevahu dier. > **Definícia:** Donor je prímes, ktorá daruje voľné elektróny; akceptor je prímes, ktorá vytvára diery. ## Elektrónová a dierová vodivosť - Elektrónová vodivosť: dominantnými nosičmi sú elektróny (polovodič typu N). - Dierová vodivosť: dominantnými nosičmi sú diery (polovodič typu P). Praktický príklad: Ak do kremíka pridáme malé množstvo fosforu (donor), získame polovodič typu N, ktorý vedie prúd prevažne vďaka elektrónom. ## Reálne aplikácie polovodičov (bez PN prechodu a diódy) - Termistory: využívajú zmenu odporu polovodičov s teplotou na meranie teploty. - Fotodetektory a solárne články: generácia párov elektrón–diera pri absorpcii svetla zvyšuje vodivosť. - Integrované obvody: prímesové riadenie vodivosti v bodoch čipu umožňuje vytvárať tranzistory a logické prvky (pozri separátne kapitoly o PN prechode). Fun fact: Polovodiče boli nájdené ako kľúčová súčasť tranzistorov, ktoré nahradili vakuové elektrónky a umožnili vznik moderných počítačov ##