Elektrický prúd v polovodicoch Ich široké využívanie v technickej praxi úzko súvisí s výraznou závislostou ich elektrických vlastností napr. od teploty, prítomnosti prímesím, dopadajúceho žiarenia, magnetického pola. Z hladiska vedenia elektrického prúdu rozdelujeme látky na vodice, polovodice a izolanty. Za porovnávaciu môžeme zvolit napr. merný elektrický odpor . Kovové vodice, napr. striebro, med, hliník, majú velmi malý merný elektrický odpor, rádovo 10-6 .m. Pre vodivé roztoky (elektrolyty), napr. vodný roztok kuchynskej soli, je rádovo 10-2 .m. Izolanty (dielektriká), napr. bakelit a sklo, charakterizuje naopak velký merný elektrický odpor, rádovo väcší ako 109 .m. Polovodice sú látky, ktoré majú merný elektrický odpor rádovo v intervale hodnôt 10-2 .m až 109 .m. Za velmi nízkych teplôt sa stávajú izolantmi. Medzi polovodice patria niektoré chemické prvky, napr. kremík Si, germánium Ge, uhlík C (grafit), selén Se, telúr Te a niektoré chemické zlúceniny napr. sulfid olovnatý PbS, sulfid kademnatý CdS. Aj niektoré organické látky, ako hemoglobín - najdôležitejšia zložka krvi alebo chlorofyl v listoch rastlín, sú polovodice. Typickým znakom polovodicov je, že merný elektrický odpor polovodicov  so zvyšujúcou teplotou sa rýchlo zmenšuje. V kovoch sa naopak  so zvyšujúcou teplotou mierne zväcšuje. Velká teplotná závislost odporu polovodica sa v praxi využíva pri termistoroch. Termistor je jednoduchá polovodicová súciastka, ktorá sa skladá z kúska polovodica (napr. z oxidov UO2,NiO,Fe3O4 alebo ich zmesi) a dvoch elektrických prívodov. Meraním odporu termistora môžeme nepriamo merat teplotu danej látky s presnostou až na 10-3 K. Pomocou termistorov môžeme merat napr. aj rýchlost prúdenia tekutín. Umožnuje to skutocnost, že vonkajšie ochladzovanie termistora, ktorým prechádza elektrický prúd, závisí od rýchlosti prúdenia tekutiny, ktorá obteká termistor. V elektrických prístrojoch sa termistory používajú na ochranu niektorých súciastok pri zapnutí prístroja. Pritom sa využíva skutocnost, že elektrický odpor termistora zaradeného sériovo so spotrebicom, sa s jeho zohrievaním znižuje v dôsledku prechodu prúdu. Napätie na spotrebici sa zväcšuje pomalšie, cim sa zamedzí poškodeniu spotrebica. Vlastné polovodice Každý atóm Si je v tejto mriežke chemicky viazaný so štyrmi susednými atómami. Z toho vyplýva, že v kryštáli cistého kremíka nie sú volné elektróny a že kremík musí byt izolant. Kremík sa pri teplotách približujúcich sa O K skutocne správa ako izolant. Pri vyšších teplotách však kmity atómov mriežky môžu vyvolat porušenie väzieb medzi atómami. Zrušením niektorých väzieb vznikajú súcasne dva typy volných castíc s nábojom, a to priamo v pároch. Sú to volné elektróny a tzv. diery (castice s kladným elektrickým nábojom). Hovoríme teda o vzniku, ciže generácií párov volný elektrón - diera. "diera" týmto pojmom charakterizujeme situáciu, ked uvolnený valencný elektrón chýba vo väzbe medzi atómami. Kladný náboj získa diera z prebytku kladných nábojov atómového jadra, ktoré bolo pre uvolnením valencného elektrónu so všetkými elektrónmi prislúchajúcimi tomu istému atómu v rovnovážnom stave. Diera teda nepredstavuje skutocnú casticu s nábojom, ako je napr. protón. V cistom kremíku sa hustota dier rovná hustote volných elektrónov. Pri "stretnutí" volného elektrónu s dierou obsadí volný elektrón prázdne miesto v chemickej väzbe, cím nastane zánik páru volný elektrón - diera. Z volného elektrónu sa stane opät valencný (väzbový) elektrón. Zánik párov volný elektrón - diera sa nazýva rekombinácia. Bez prítomnosti elektrického pola v polovodicoch je pohyb volných elektrónov a dier chaoticky. Pohyb dier si predstavujeme tak, že niektorý z valencných elektrónov susedných väzieb ( v danom okamihu ešte neporušených) preskocí na miesto porušenej. Súcasne sa však objaví diera na inom mieste, takže diery "putujú" po kryštáli polovodica. Ked je v polovodici elektrické pole, potom sa volné elektróny pohybujú proti smeru a diery v smere vektora intenzity tohto pola. V polovodici vznikne elektrický prúd (jav). Kedže oba druhy castíc majú opacné náboje a pohybujú sa v opacných smeroch, velicina výsledný elektrický prúd I v polovodici sa rovná súctu elektrónového prúdu Ie a dierového prúdu Id: I = Ie+Id. Opísaný typ elektrickej vodivosti polovodicov sa nazýva vlastná vodivost, lebo je umožnená vlastnými elektrónmi atómov polovodicov. Látky s touto vodivostou tvoria vlastné polovodice. Z predchádzajúceho vysvetlenia vyplýva, že so zvyšujúcou teplotou, napr. prechodom väcších prúdov polovodicom, zvyšuje sa hustota volných elektrónov a dier. Tým sa zmenšuje elektrický odpor polovodica a pre závislost medzi napätím a prúdom Ohmov zákon neplatí. Platí iba pri malých prechádzajúcich prúdoch. V technickej praxi sa s praktickou aplikáciou vlastných polovodicov stretávame velmi málo, lebo velká teplotná závislost merného odporu je zväcša nevýhodná. Ovela castejšie sa používajú tzv. nevlastné polovodice. Nevlastné (prímesové) polovodice Z hladiska technického využitia polovodicov je mimoriadne dôležité, že elektrické vlastnosti polovodicov výrazne závisia od prímesí. Vhodným výberom prímesí možno dosiahnút, aby v polovodici prevažovala elektrónová alebo dierová vodivost. Všimnime si, co sa stane, ak v kryštáli kremíka nahradíme niektorý atóm štvormocného kremíka pätmocným atómom fosforu (substitucný atóm). Fosfor má pät valencných elektrónov. Pri jeho zabudovaní do kryštálovej mriežky sa štyri z nich zúcastnia kovalentnej väzby, cím zastúpia štyri elektróny chýbajúceho atómu kremíka. Piaty elektrón sa však už v chemickej väzby nemôže uplatnit. Zostáva velmi slabo viazaný na pôvodný atóm fosforu, takže už pri pomerne nízkej teplote sa od neho odpúta a stane sa volným elektrónom. Nevznikne však diera, preto v kremíku znecistenom fosforom je nadbytok volných elektrónov. Takýto polovodic sa nazýva polovodic s elektrónovou vodivostou alebo tiež polovodic typu N. Niekedy sa používa aj názov vodivost typu N (od latinského slova negatív - záporný). Možno vyrobit aj polovodic s dierovou vodivostou alebo polovodic typu P. Ked sa do kryštálu mriežky kremíka zabuduje atóm trojmocného prvku, napr. india In chýba mu na plné obsadenie kovalentnej väzby so štyrmi atómami Si jeden valencný elektrón. Vznikne diera bez vzniku volného elektrónu. Vodivost spôsobená dierami sa volá dierová vodivost polovodica alebo vodivost typu P (od latinského slova positiv - kladný). Prímesové atómy, ktoré z polovodicovej látky tvoria polovodic typu N, nazývajú sa donory (od slova donor - dárca). Donory teda poskytujú kryštálu volné elektróny. Pre kremík a germánium sú donormi napr. fosfor P, dusík N, arzén As, antimón Sb a bizmut Bi. Kedže prímesové atómy spôsobujú vznik polovodica typu P, nazývajú sa akceptory (od slova akceptor - príjemca). Akceptory sú schopné zo svojho okolia prijat jeden väzbový elektrón, cím vznikajú diery. Pre kremík a germánium sú akceptory napr. indium In, bór B, hliník Al, gálium Ga. Vložením polovodica obsahujúceho aktívne prímesy zväcša jedného alebo druhého elektrického pola, vzniká bud elektrónový alebo dierový prúd. Elektrická vodivost tohto druhu nazývame nevlastná vodivost, lebo je spôsobená prítomnostou cudzích, nie vlastných atómov. Polovodice s týmto mechanizmom elektrickej vodivosti sa volajú nevlastné (prímesové) polovodice. V nevlastných polovodicoch teda sprostredkuje elektrický prúd zväcša iba jeden typ volných castíc s nábojom (volné elektróny alebo diery). Tieto prevažujúce volné castice s nábojmi nazývané väcšinové (majoritné). To však neznamená, že s danom nevlastnom polovodici nie sú v menšom pocte aj volné castice s opacným nábojom, tzv. menšinové (minoritné). Z vysvetlenia vyplýva, že v nevlastnom polovodici je hustota volných castíc s nábojom daná iba hustotou aktívnych prímesí. Táto hustota je stála a nezávisí od teploty. Diódový jav Medzi najdôležitejšie javy v polovodicoch, ktoré sa v praxi vela využívajú, patria javy prebiehajúce na rozhraní dvoch polovodicov s rozlicným typom vodivosti. V mieste rozhrania vzniká prechod PN ktorý sa vyznacuje tým, že má schopnost usmernovat - prepúšta elektrický prúd iba jedným smerom. Prechod PN sa v praxi tvorí v jednom kúsku polovodica. Pre prehladnost sú v obrázku iba donory a akceptory (atómy vlastnej kryštálovej mriežky polovodica nie sú). Hustota volných elektrónov a dier je v oboch castiach polovodica taká rozmanitá, že nutne vzniká difúzia volných elektrónov z casti s vodivostou typu N do casti s vodivostou typu P a naopak difúzia dier z casti s vodivostou typu P do casti s vodivostou typu N. V dôsledku dejov sa v priestore okolo rozhrania utvára prechod PN ako elektrická dvojvrstva s iónmi opacnej polarity. Vzniknuté elektrické pole v prechode PN zabranuje dalšej difúzii väcšinových volných castíc s nábojom. Pri istej velkosti elektrickej intenzity tohto pola sa utvorí rovnovážny stav. Oblast prechodu PN je takmer bez volných nabitých castíc. Preto má velký elektrický odpor, ktorý rozhoduje o celkovom elektrickom odpore polovodica. Okrem väcšinových volných castíc však existujú v každej casti aj menšinové volné castice, diery v casti N a volné elektróny v casti P. Preto elektrické pole prechodu PN spôsobuje prenos týchto menšinových castí do susednej oblasti. V rovnovážnom stave na prechode PN je pocet volných elektrónov, ktoré prejdú sprava dolava difúziou rovnako ako pocet volných elektrónov, ktoré prejdú zlava doprava vplyvom elektrického pola. To isté platí pre prenos dier. Preto sa výsledný elektrický prúd na prechod PN rovná nule. Ak vonkajšie napätie prekrocí istú kritickú hodnotu, danú kvalitou prechodu PN, nastane lavínovité tvorenie volných castíc s nábojom. To má za následok prudký pokles elektrického odporu prechodu PN a tým velké zväcšenie elektrického prúdu. Tento jav môže spôsobit prehriatie a tým aj poškodenie prechodu PN. Opísaný jav závislosti elektrického odporu polovodica s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodicu, nazýva sa diódový jav. Polovodic s prechodom PN nazývame polovodicová dióda. V praxi sa zväcša využíva nelineárna závislost prúdu od napätia v obvode s polovodicovou diódou. Graf závislosti elektrického prúdu prechádzajúceho polovodicovou diódou od napätia na dióde sa nazýva voltampérová charakteristika polovodicovej diódy. Zvyšovaním napätia na dióde zapojenej v priepustnom smere sa prúd velmi rýchlo zväcšuje. Dióda sa však môže velkým prúdom prehriat a poškodit. Preto sa na diódach oznacuje maximálna prípustná hodnota priepustného prúdu. Tranzistorový jav Pre prax má velký význam - tranzistor. Je to prvok, ktorý obsahuje dva prechody PN. V súcasnosti sa používajú plošné tranzistory. Na protilahlých stranách základnej polovodicovej platnicky, napr. z kremíka s vodivostou typu N sa utvoria dve oblasti s vodivostou typu P. Z fyzikálneho hladiska je teda tranzistor tvorený kryštálom polovodica s troma oblastami s vodivostou typu P,N a P, príp. N,P a N. Podla toho hovoríme o tranzistore PNP alebo NPN. Základná platnicka a teda aj stredná oblast polovodica medzi dvoma prechodmi PN a nazýva báza B, dalšie dve oblasti kolektor C a emitor E. Jedno z možných zapojení tranzistora, nazvané zapojenie so spolocnou bázou. Má emitorový a kolektorový obvod. Zdroje napätia sú zapojené do obvodu tak, že prechod PN medzi emitorom E a bázou B je zapojený v priepustnom smere, kým prechod medzi bázou B a kolektorom C v záveternom smere. Pri tomto zapojení prechádza emitorom velký prúd, kým kolektorom by mal prechádzat iba nepatrný záverný prúd. V skutocnosti je však kolektorový prúd takmer rovnako velký ako emitorový prúd. Je to preto, že oba prechody PN sú velmi blízko pri sebe, takže väcšina dier vstupujúcich z emitora do bázy (v nej sa stávajú menšinovými casticami) difunduje až do blízkosti prechodu PN báza-kolektor, kde sú pritahované kolektorom. Takmer všetok emitorový prúd sa tak dostane tenkou bázou do kolektora. Zmena emitorového prúdu vyvolá podobnú zmenu kolektorového prúdu. Kolektorový prúd je teda ovládaný emitorovým prúdom. Kolektorový prúd býva o nieco menší ako emitorový, lebo niektoré diery, ktoré prechádzajú z emitora do bázy, sa do kolektora nedostanú. V báze rekombinujú, cím prispievajú k prúdu prechádzajúceho prívodom bázy. Prúd bázy je pritom ovela menší ako kolektorový a emitorový prúd. Opísané vlastnosti tranzistora, ktoré sú postatou tranzistorového javu, využívajú sa v elektronike na zosilnovanie. Ked do kolektorového obvodu zaradíme vhodný zatažovací rezistor s odporom R (t.j. s odporom porovnatelným s odporom prechodu PN), vznikajú na nom pri zmenách kolektorového prúdu ovela väcšie zmeny napätia, ako sú zmeny napätia zosilnovaného signálu. Nastáva zosilnenie napätia. V elektrotechnických zariadeniach sa tranzistory využívajú zväcša v zapojený so spolocným emitorom, ktoré je vhodnejšie pri spájaní tranzistorov (viacstupnové zosilnovace). Dôležitým parametrom tranzistora je prúdový zosilnovací cinitel  definovaný vztahom (IC) ß=(---) (IB)UCE=konšt. kde IC je zmena kolektorového prúdu a IB zmena bázového prúdu (ktorý zmenu IC vyvolal) pri konštantnom napätí UCE medzi kolektorom a emitorom. Parameter ß dosahuje v praxi hodnotu okolo 100. Vlastnosti tranzistora nemožno celkom vyjadrit jedným parametrom, dokonca ani niekolkými parametrami. Preto sa na opis vlastností tranzistora používajú charakteristiky tranzistorov. Jednou charakteristikou pri zapojení tranzistora so spolocným emitorom je napr. závislost kolektorového prúdu IC od bázového prúdu IB pri konštantnom napätí UCE medzi kolektorom a emitorom. To je tzv. prevodová charakteristika tranzistora.