Polovodiče

Za polovodiče považujeme látky, ktoré z hľadiska elektrickej vodivosti tvoria medzičlánok medzi elektricky vodivými a elektricky nevodivými látkami. To znamená že, konduktivita (konduktivita-merná vodivosť je veličinou, ktorá charakterizuje schopnosť materiálu pri určitej teplote a el. napätí viesť prúd, má jednotku S m-1 a je to vlastne prevrátená hodnota rezistivity.) polovodičov je podstatne menšia ako konduktivita kovov a podstatne väčšia ako konduktivita izolantov. Presné hranice medzi vodičmi, polovodičmi a izolantmi nie sú určené a názory na ne nie sú jednotné. Preto sa v odbornej literatúre možno stretnúť s číselnými hodnotami týchto hraníc, líšiacimi sa v niektorých prípadoch až o niekoľko rádov Na orientáciu možno uviesť, že konduktivita polovodičov pri normálnej teplote leží v rozsahu asi od 106 S m-1 do asi 10-8 S m-1, čo zodpovedá rezistivite v rozmedzí od 10-6 Ω m do 108 Ω m. Niektoré črty majú polovodiče spoločné s kovmi, iné s izolantmi a v závislosti od vonkajších podmienok, najmä od teploty, približujú sa viac k jedným alebo druhým.
S kovmi majú polovodiče spoločný mechanizmus elektrickej vodivosti. Tak v polovodičoch, ako aj v kovoch sú elektróny tými nosičmi náboja, ktoré podmieňujú ich elektrickú vodivosť. Zásadný rozdiel však spočíva v množstve volných elektrónov, t. j. v ich koncentrácii. Zatiaľ čo v kovoch je koncentrácia voľných elektrónov rádové 1028 m-3 (rovnaká, ako je počet atómov v m-3, pretože všetky atómy kovov sú ionizované), v polovodičoch je o mnoho rádov menšia. Napríklad v čistom germániu je koncentrácia voľných elektrónov pri izbovej teplote rádové 1019 m-3. Koncentrácia však veľmi rýchlo vzrastá s teplotou a pri jej hodnote rádové 1025 m-3, t. j. tisíckrát menšej, ako je koncentrácia voľných elektrónov v kovoch, sa polovodiče správajú podobne ako kovy. Takéto polovodiče sa nazývajú degenerované polovodiče. Pre väčšinu výrobkov sú degenerované polovodiče nepoužiteľné. Z toho dôvodu má každý polovodič istú kritickú koncentráciu, ktorú nesmie v prevádzke prekročiť. Prekročenie kritickej koncentrácie môže spôsobiť nielen neprípustné oteplenie polovodiča, ale aj iné činitele, napr. veľký obsah prímesí, ožiarenie a pod.
Od kovov sa polovodiče líšia najmä charakterom teplotnej závislosti konduktivity. Zatiaľ čo sa pri kovoch konduktivita pri vzraste teploty zmenšuje, pri polovodičoch sa, naopak, zväčšuje.
S izolantmi majú polovodiče spoločný charakter teplotnej závislosti konduktivity, ktorá sa so zvyšujúcou teplotou v obidvoch prípadoch prudko zväčšuje. Rozdiel medzi izolantmi a polovodičmi je tým menší, čím nižšia je teplota. Výnimku z tohto pravidla tvoria polovodiče, ktoré pri veľmi nízkych teplotách môžu prejsť do supravodivého stavu, napr. germánium. Odlišnosť sa prejavuje v mechanizme elektrickej vodivosti. Na rozdiel od polovodičov sa vo veľkej väčšine izolantov v slabých elektrických poliach prejavuje iónová vodivosť, t. j. voľnými nosičmi náboja sú ióny. Následkom toho je prechod prúdu cez takéto izolanty sprevádzaný elektrolýzou, t. j. transportom a reakciami hmotných častíc — iónov, čo spôsobuje zmenu chemického zloženia izolantov v prevádzke pri dlhodobom pôsobení jednosmerného elektrického poľa.
Polovodiče sú mimoriadne významné elektrotechnické materiály, bez ktorých by neexistovala súčiastková základňa modernej elektroniky a elektrotechniky. Pritom predstavujú pomerne mladú skupinu materiálov a všeobecne sa im predpovedá sľubný vývoj. Vďačia za to súboru jedinečných vlastností a množstvu technicky využiteľných javov, ktoré sa v nich vyskytujú.

Medzi hlavné prednosti polovodičov patria:

1. Veľká možnosť riadenia ich vlastností zmenou zloženia i štruktúry.
2. Malá náročnosť polovodičových súčiastok a zariadení na spotrebu elektrickej energie v prevádzke.
3. Možnosť výroby tenkovrstvových štruktúr na realizáciu integrovaných obvodov, ktoré výrazne znižujú hmotnosť a objem elektronických zariadení a zvyšujú ich spoľahlivosť.
4. Možnosť priamej premeny iných foriem energie na elektrickú energiu i naopak.
5. Dostatočné prírodné zdroje surovín na výrobu polovodičov.
6. Mimoriadne veľká citlivosť vlastností polovodičov na rôzne vonkajšie činitele, ktorá je využiteľná, napr. v meracej a automatizačnej technike.
7. V prevádzke nedochádza k nevratným zmenám vlastností polovodičov následkom starnutia a pod.
8. Súčiastky z polovodičov majú veľkú životnosť a spoľahlivosť v prevádzke.
9. Pri výrobe i používaní polovodičov prakticky nedochádza k znečisťovaniu životného prostredia.

Polovodiče však majú aj niektoré nevýhody. Najvýznamnejšou z nich je veľká náročnosť na technológiu výroby(veľká presnosť čistoty polovodičov nečistoty nesmú presiahnuť pre: Ge 5.10-9%, Si 10-11%..atď), ktorá spôsobuje, že i pomerne dostupné polovodiče, ako napr. kremík, sú drahé. Táto nevýhoda sa sčasti kompenzuje veľmi malou spotrebou materiálov pri výrobe polovodičových súčiastok.
Polovodiče možno triediť z rôznych hľadísk. Za najdôležitejšie hľadiská možno považovať charakter elektrickej vodivosti, chemické zloženie a štruktúru.

Z hľadiska elektrickej vodivosti rozlišujeme:
1. Polovodiče N, v ktorých prevláda elektrónová vodivosť. Takými sú napr. CdS, CuO, CdSe, A13O3, TiO2, Fe2O3, Ta2O5 a iné.
2. Polovodiče P, v ktorých prevláda dierová vodivosť. Takými sú Se, NiO, Cu2O, väčšina sklovitých polovodičov a iné.
3. Amfotérne polovodiče, v ktorých možno typ elektrickej vodivosti riadiť podľa potreby. Vhodnou voľbou prímesí možno v nich dosiahnuť vodivosť N alebo vodivosť P. Do tejto skupiny patria najdôležitejšie polovodivé prvky kremík a germánium, ďalej SiC, PbS, PbSe a iné.
Podľa chemického zloženia sa polovodiče triedia na organické a anorganické, V súčasnosti výrazne prevláda použitie anorganických polovodičov.
Podľa štruktúry polovodiče triedime na kryštalické a amorfné. V súčasnosti výrazne prevláda použitie kryštalických polovodičov, kremíka a germánia. Niektoré polovodiče sa však používajú prevažne v polykryštalickej forme, napr. karbid kremičitý (SiC) a oxidové polovodiče.
Väčšina dôležitých polovodičov kryštalizuje v kubickej plošne stredenej sústave, pričom majú diamantovú štruktúru (napr. Si, Ge) alebo sfaleritovú štruktúru (napr. GaAs, InAs). V hexagonálnej sústave kryštalizujú Se a Te a v hexagonálnej sústave typu minerálu wurtzit kryštalizujú CdS, CdSe, SiC a iné. Niektoré polovodiče, napr. PbS, PbSe, majú jednoduchú kubickú mriežku typu NaCl. Ostatné typy mriežok sa v polovodičoch vyskytujú ojedinele. Najväčšia rôznorodosť z hľadiska štruktúry je v skupine oxidových polovodičov, z ktorých viaceré majú zložitú štruktúru.
V súčasnosti sa ťažisko výskumu polovodičov presúva z kryštalických na amorfné (sklovité) polovodiče. Aj keď sú amorfné polovodiče v porovnaní s kryštalickými preskúmané pomerne málo, v praxi sa už používajú, napr. na výrobu prepínacích a pamäťových prvkov. Amorfné polovodiče nie sú úplne neusporiadané systémy, ale vyznačujú sa určitou usporiadanosťou na blízky poriadok. Predstavujú teda amorfné látky s istým podielom kryštalickej zložky, pričom tento podiel možno riadiť, a tým riadiť , vlastnosti amorfných polovodičov. Druhá metóda spočíva v zmene zloženia, pri ktorej sú prakticky neohraničené možnosti. Amorfné polovodiče preto často predstavujú viaczložkové sústavy.

Podľa vodivosti delíme polovodiče na polovodiče s vlastnou a polovodiče s nevlastnou vodivosťou.
Polovodiče s vlastnou vodivosťou: Valenčné pásmo tohoto polovodiča je plne obsadené, vo vodivostnom pásme pri teplote blízko