Polovodiče: Základy polovodičové techniky

Do skupiny polovodičů řadíme velkou skupinu látek s elektronovou, či děrovou vodivostí, jejichž rezistivita při pokojové teplotě leží v intervalu zdola omezeným rezistivitou kovů a shora rezistivitou izolantů. Jejich vlastnosti (konduktivita, doba života volných nosičů náboje) ovlivňuje množství cizích příměsí a strukturních poruch. Polovodiče nepřecházejí při nízkých teplotách do supravodivého stavu.

Vlastní polovodiče

Vlastní polovodič nemá ve své krystalové mřížce žádné elektricky aktivní příměsi. Volné nosiče náboje musí být generovány působením různých forem energie (teplo, světlo) na polovodič. Při teplotě absolutní nuly se vlastní polovodič chová jako ideální izolant. Při teplotách vyšších elektrony mohou dostat takovou energii, že se mohou uvolnit z vazeb a stanou se tak elektrony volnými, které nesou náboj ve vodivostním pásu. V místě uvolnění elektronu vzniká díra (zachování el. neutrality), která se volně pohybuje krystalem. Musí platit zákon el. neutrality:

kde n_n je koncentrace elektronů, n_p je koncentrace děr a n_i je intrinsická (vlastní) koncentrace.

Nevlastní polovodiče

Základními polovodivými materiály jsou prvky 4. skupiny periodické tabulky, nejvíce se z nich v současné době využívají křemík a germanium. Tyto prvky mají ve valenční sféře 4 elektrony a do pravidelné krystalové mřížky jsou vázány pevnými kovalentními vazbami. K uvolnění elektronu od atomu polovodiče, tedy k jeho přestupu do vodivostního pásu, může dojít až po dodání kvanta energie, které je dáno šířkou zakázaného pásu polovodiče.

Při uvolnění elektronu dojde k narušení kovalentní vazby a na tomto místě zůstane „volné“ místo nazývané díra, které působí jako kladný náboj o velikosti náboje elektronu. Vznik páru elektron-díra se nazývá generace. Díra svým potenciálem přitahuje okolní volné elektrony, které se mohou začlenit zpět do vazby a pár elektron-díra zaniká – dochází k rekombinaci.

Tento děj se pri dodávání dostatečného množství energie neustále a na mnoha místech v polovodiči opakuje a vzniká tak vlastní vodivost polovodiče. Vlastní polovodiče za normální teploty dobře nevedou. Vhodnou metodu, jak zvýšit vodivost polovodiče, je nahrazení některých atomu polovodiče prvky jinými, nejlépe ze 3. skupiny (polovodič typu P) nebo 5. skupiny (polovodič typu N) periodické tabulky.

Mezi nejpoužívanější prvky 5. skupiny (polovodič typu N) patří fosfor, arsen a antimon. To jsou pětimocné prvky, do vazby s křemíkem jeden elektron přebývá. Tento elektron je vázán velmi volně a po dodání minimálního množství energie dochází k jeho odtržení a volnému pohybu krystalovou mřížkou. V místě, odkud se utrhl, zůstává kladný nepohyblivý iont. Tento typ příměsí bývá nazýván donory.

Druhou možností, jek zvýšit vlastní vodivost polovodiče, je nahrazení původních atomů prvky 3. skupiny (polovodič typu P) – např. bor, hliník, indium a galium. Těmto prvkům naopak jeden elektron do vazby se 4- vazným křemíkem chybí a vzniká tak kladný pohyblivý náboj o velikosti náboje elektronu. Na jeho místě zůstane jen záporný iont. Tyto prvky jsou nazývány akceptory.

Víme, že rozlišujeme polovodič typu P a polovodič typu N a jednotlivé typy polovodičů charakterizuje jistá koncentrace donorů Nd a akceptorů Na. Pokud polovodič obsahuje oba typy příměsí (akceptory + donory), hovoříme o polovodiči kompenzovaném. Pro tento polovodič platí podmínka neutrality

Donory a akceptory jsou příměsi vnesené do struktury polovodiče záměrně. Existují i příměsi vnesené „nezáměrně“, nečistoty, které se musí různými technologickými postupy odstraňovat. Jako nežádoucí mohou působit různé poruchy krystalové mřížky, vakance a dislokace (atomy tvořící dislokační čáry se chovají jako akceptory). Výchozí polovodič tedy musí být pokud možno bezdislokační a bez vakancí.

Polovodičové materiály a jejich základní vlastnosti

Mezi elementární polovodiče patří zejména křemík, germanium, selen a další prvky ze 4 skupiny periodické tabulky.

Křemík krystalizuje v diamantové krystalové mřížce, je rozšířen v přírodě ve formě sloučenin (zejména jeho oxidů), ale nevyskytuje se v čisté formě. Ta se musí získat náročnými technologickými procesy, kdy se získají základní polykrystalické ingoty, které se čistí (např. rafinací) a musí se převést do monokrystalické formy.

Germanium má rovněž diamantovou krystalovou mřížku. Jeho aplikace je užší než v případě křemíku, použití hlavně u speciálních detekčních diod, Hallových sond a v dalších případech. Selen je historicky nejstarší polovodič, vykazuje vodivost P, vodivost N je docílena dotací kadmia. Dříve byl využíván pro výrobu výkonových součástek, dnes sporadicky v xerografii.

Mezi významné polovodičové sloučeniny řadíme GaAs (arzenid galia – diody, FET tranzistory, mikrovlnné obvody), HgTe (lasery a detektory záření), SiC (karbid křemíku – mimořádná tepelná odolnost, výroba práškovou technologií, napěťově závislé rezistory, LED diody), BiTe (telurid bizmutu – vysoká konduktivita, malá tepelná vodivost, konstrukce termočlánků).

Mezi oxidické polovodiče patří Cu2O, NiO, TiO2, atd. Významná je barium-titaničitá keramika BaTiO3 (PTC termistory, ale použití i jako dielektrikum do kondenzátorů).