Polovodiče: PN přechod a výroba polovodičů

Dnešní článek, v pořadí druhý o polovodičích, pojednává o PN přechodu, který tvoří základ pro pochopení polovodičových součástek – diody, tranzistoru, fotodiody, aj. Bude vysvětlena propustná a závěrná polarizace PN přechodu. V druhé části si představíme základní metody výroby polovodičů – Bridgmanova metodu, Czochralského metodu a metodu zonální tavbou.

PN přechod

Předpokládejme nyní ideální spojení polovodiče typu N s polovodičem typu P. Za normální teploty jsou již všechny příměsi ionizovány a v polovodiči typu N je koncentrace elektronů o několik řádů vyšší než koncentrace děr. V polovodiči P je tomu naopak.

Ihned po spojení obou částí začne působit difúze, tj. snaha volných nosičů náboje rovnoměrně se rozptýlit po celém objemu krystalu. Jakmile nějaký elektron přejde z části N do P nebo díra z P do N, poruší se rovnováha elektrických nábojů obou původně elektricky neutrálních částí. Po přechodu do polovodiče s opačnou vodivostí volný nosič náboje zrekombinuje.

V části N blízko přechodu začne převládat kladný náboj nepohyblivých iontů donoru, v části P potom záporný náboj nepohyblivých iontů akceptoru. V místě spojení obou polovodičů tedy vznikne oblast vyprázdněná od volných nosičů náboje, která je nazývána oblastí prostorového náboje (OPN). Ta vytváří elektrické pole orientované od kladných nábojů donorových iontů k zápornému náboji akceptorových iontů.

Toto vnitřní elektrické pole zároveň působí jako potenciálová bariéra eUdif, která brání difúznímu pohybu majoritních nosičů (tedy elektronu z oblasti N do P a děr z oblasti P do N). Tato potenciálová bariéra však nebrání pohybu minoritních nosičů (tedy elektronu z oblasti P do N a děr z oblasti N do P), které vytvářejí tzv. driftové proudy.

Propustná polarizace PN přechodu

Protože v nejzákladnějším pojetí považujeme za diodu jeden nakontaktovaný PN přechod, budeme již namísto o PN přechodu hovořit o diodě.

Vlivem napětí dojde ke snížení potenciálové bariéry na PN přechodu diody z hodnoty eUdif na hodnotu e(Udif – Uext). Zároveň také dochází k zúžení OPN. Díry ve valenčním pásu polovodiče typu P budou díky polaritě přiloženého napětí driftovat do oblasti PN přechodu, kde již mohou překonat sníženou energetickou bariéru a budou injektovány do oblasti N, kde se stanou minoritními a budou se dále pohybovat difuzí.

Po určité době zrekombinují s majoritními elektrony. Průměrná vzdálenost, do které injektované díry v polovodiči N prodifundují, než zrekombinují, se nazývá difúzní délka L. Proud děr, které zrekombinovaly v oblasti N s elektrony, je přebírán proudem elektronů přitékajících v opačném směru.

Analogickým způsobem, avšak v opačném směru, probíhá transport elektronů ve vodivostním pásu. Celkový proud je tedy dán součtem proudu elektronu a děr.

Závěrná polarizace PN přechodu

Majoritní díry ve valenčním pásu polovodiče P nemohou takto zvýšenou energetickou bariéru překonat a jejich transport do polovodiče N je nemožný. Analogický stav platí pro majoritní elektrony v polovodiči N. Minoritní díry jsou z polovodiče N extrahovány PN přechodem a přejdou do polovodiče P. Vzniklý gradient koncentrace minoritních děr vyvolá difúzní proud směrem do přechodu. Protože je ale koncentrace minoritních nosičů velmi malá, bude i tento závěrný proud velmi malý, prakticky zanedbatelný.

VA-charakteristika PN přechodu (diody)

Proud tekoucí diodou popisuje Shockleyho rovnice

kde I0 je saturační proud, který je obecně závislý na difúzní délce elektronu a děr, jistém difúzním koeficientu, ploše PN přechodu a koncentraci nosičů, která je silně teplotně závislá.

Výroba polovodičů

Růst krystalů polovodičů je v zásadě proces, při kterém dochází k uspořádávání atomů, iontů, molekul nebo molekulových komplexů do pravidelných trojrozměrných krystalových uspořádání.

Bridgmanova metoda

Bridgmanova metoda růstu monokrystalů a od ní odvozené gradientové metody patří mezi nejdůležitější metody pěstování krystalů z taveniny. Používají se s úspěchem k přípravě velkých a kvalitních krystalů kongruentně tajících látek.

Veškerý materiál je na počátku roztaven v krystalizační nádobě a krystal roste od nejchladnějšího místa této nádoby. Základem těchto metod je vytvoření dostačujícího teplotního gradientu na rozhraní tavenina – pevná fáze. Krystaly rostou buď na zárodku připraveném předem, nebo zárodek vznikne spontánní nukleací v nejchladnějším místě kelímku v poměrně malém objemu.

Czochralského metoda

Czochralského metoda růstu krystalu je metoda užívaná pro pěstování syntetických monokrystalů, při které je pevný krystal pomalu vytahován z kapalné taveniny na zárodku vysoce kvalitního materiálu.

Pro vypěstování kvalitních monokrystalů se užívá speciálních typů kelímků, ve kterých je umístěn roztavený materiál. Při růstu je nutno v peci udržovat stálé podmínky.

Metoda zonální tavby

Pod obecný název zonální tavba je zahrnut soubor metod používaných pro kontrolovatelné rozdělení příměsí v krystalických vzorcích. Využívají se pro velké množství různorodých materiálů zahrnující oxidy, kovy a polovodiče.

Krystaly rostlé metodou plovoucí zóny jsou velmi kvalitní – obvykle jednotky milimetrů až do desítek centimetrů v průměru a desítky centimetrů na délku).

Pro růst monokrystalů zonální tavbou je nutné zvolit takový materiál, který má vhodné vlastnosti, jakými jsou povrchové napětí, smáčecí úhel, viskozita a hustota taveniny, stejně jako optické vlastnosti a tepelná vodivost taveniny i krystalu. Také je důležité znát změnu těchto parametrů s rostoucí teplotou.