Elektrický prúd v polovodicoch

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.