- Kontaktujte nás / Centrála:
- 047 / 5511 200
- [email protected]
Zakázané pásmo polovodičov
Polovodiče sú fascinujúce materiály, ktoré stoja na pomedzí vodičov a izolantov. Ich schopnosť meniť svoju vodivosť v závislosti od vonkajších podmienok, ako je teplota, svetlo alebo prítomnosť prímesí, ich robí neoceniteľnými v modernej elektronike. Kľúčom k pochopeniu správania polovodičov je koncept zakázaného pásma.
Štruktúra polovodičov a energetické pásma
V tuhých látkach sú atómy usporiadané do kryštalickej mriežky. Elektróny sú viazané na jadrá atómov, pričom väzbová energia elektrónov bližšie k jadru je väčšia ako u elektrónov vzdialenejších. Valenčné elektróny, ktoré sa podieľajú na chemickej väzbe, tvoria valenčné pásmo (VB). Elektróny, ktoré sa dokážu odtrhnúť od jadra a voľne sa pohybovať v látke, tvoria vodivostné pásmo (CB).
Šírka zakázaného pásma (Eg) je energia potrebná na prechod elektrónu z valenčného pásma do vodivostného pásma. Táto šírka určuje elektrickú vodivosť materiálu. Vodiče majú nulové zakázané pásmo, izolanty majú široké zakázané pásmo (viac ako 3 eV) a polovodiče majú úzke zakázané pásmo (typicky menej ako 2 eV).
Základnými polovodičovými materiálmi sú prvky IV. skupiny periodickej tabuľky, ako kremík (Si) a germánium (Ge). Energia zakázaného pásma pre tieto materiály je nasledovná:
- Uhlík (C): ≈ 5 eV
- Kremík (Si): ≈ 1,12 eV
- Germánium (Ge): ≈ 0,72 eV
- Cín (Sn): ≈ 0,3 eV
- Olovo (Pb): ≈ 0,1 eV
Mechanizmy vodivosti v polovodičoch
Existujú dva hlavné mechanizmy vodivosti v polovodičoch:
Prečítajte si tiež: Obmedzenia fajčenia na balkóne
- Elektróny: Elektróny, ktoré získali dostatočnú energiu na prekonanie zakázaného pásma, sa pohybujú vo vodivostnom pásme a prispievajú k elektrickému prúdu.
- Diery: Keď elektrón opustí valenčné pásmo, vznikne diera, čo je voľné miesto s kladným nábojom. Valenčné elektróny zo susedných atómov sa môžu presúvať do týchto dier, čím sa vytvára dojem pohybu kladného náboja.
Energia potrebná na prechod elektrónu z valenčného do vodivostného pásma môže byť dodaná vo forme tepla (tepelné kmity kryštalickej mriežky) alebo žiarenia (fotóny). Zmena teploty alebo osvetlenia ovplyvňuje vodivosť polovodičov.
Elektróny nezostávajú vo vodivostnom pásme donekonečna. Po určitom čase sa rekombinujú s dierami vo valenčnom pásme. V niektorých prípadoch môže byť prebytočná energia vyžiarená vo forme fotónu.
Dotovanie polovodičov
Pridaním prímesí do polovodičov sa výrazne menia ich vlastnosti. Existujú dva typy dotovania:
- Dotovanie typu N: Pridaním prvku s väčším počtom valenčných elektrónov (donor), ako je fosfor (P) alebo arzén (As) do kremíka, sa zvyšuje koncentrácia voľných elektrónov vo vodivostnom pásme.
- Dotovanie typu P: Pridaním prvku s menším počtom valenčných elektrónov (akceptor), ako je bór (B), hliník (Al), gálium (Ga) alebo indium (In) do kremíka, sa zvyšuje koncentrácia dier vo valenčnom pásme.
Polovodiče typu N majú väčšiu koncentráciu elektrónov ako dier, zatiaľ čo polovodiče typu P majú väčšiu koncentráciu dier ako elektrónov.
P-N prechod
Spojením polovodiča s vodivosťou typu N a polovodiča s vodivosťou typu P vznikne p-n prechod. V tesnej blízkosti prechodu sa vytvorí oblasť bez voľných nosičov náboja, tzv. vyprázdnená oblasť. Difúzia nosičov náboja cez p-n prechod (elektrónov z N do P a dier z P do N) vytvorí elektrické pole, ktoré po čase zastaví difúzny tok a vytvorí rovnovážny stav.
Prečítajte si tiež: Ako zmierniť príznaky histamínovej intolerancie
P-n prechod má usmerňovacie vlastnosti. Pri priamom napätí prechádza cez prechod veľký prúd, zatiaľ čo pri spätnom napätí prechádza len malý spätný prúd.
Polovodičové diódy
Polovodičová dióda je základná elektronická súčiastka, ktorá využíva p-n prechod. Dióda prepúšťa prúd v jednom smere (priamy smer) a blokuje prúd v opačnom smere (spätný smer).
Voltampérová charakteristika diódy sa dá aproximovať lomenými úsečkami. V priamom smere začne dióda viesť prúd až po dosiahnutí určitého prahového napätia (napr. ~0,6V pre Si).
Diódy sa používajú v rôznych aplikáciách, ako sú usmerňovače (napr. mostíkový usmerňovač), detektory a spínače.
Polovodičové materiály
Okrem kremíka a germánia existujú aj ďalšie polovodičové materiály, ako napríklad:
Prečítajte si tiež: Čierne slnko: Kontroverzný symbol
- Arzenid gália (GaAs): Používa sa vo vysokofrekvenčných aplikáciách a optoelektronike.
- Arzenid india (InAs): Používa sa na výrobu rýchlych súčiastok, laserov a snímačov.
- Selén (Se): Používa sa v niektorých fotovoltaických článkoch.
Kompozitné polovodiče, ktoré obsahujú viacero prvkov, umožňujú dosiahnuť vlastnosti, ktoré nie sú možné pri jednoduchých polovodičoch. Kombináciou tenkých vrstiev polovodičov s rozličnou pásmovou štruktúrou je možné vytvoriť kvantové jamy, ktoré vedú k prejavovaniu sa kvantových javov a zlepšeniu vlastností súčiastok.
Výroba polovodičov
Výroba polovodičov je komplexný proces, ktorý zahŕňa:
- Príprava monokryštálu: Polovodičový materiál sa čistí a roztaví. Potom sa pomaly ochladzuje, aby sa vytvoril monokryštál s dokonalou kryštalickou štruktúrou.
- Rezanie a leštenie plátov (waferov): Monokryštál sa reže na tenké pláty (wafery), ktoré sa brúsia a leštia, aby sa odstránili povrchové poruchy.
- Nanášanie vrstiev: Na pláty sa nanášajú tenké vrstvy rôznych materiálov pomocou techník, ako je naparovanie alebo epitaxia.
- Leptanie: Nepotrebné časti vrstiev sa odstraňujú pomocou leptania.
- Dotovanie: Do vybraných oblastí sa vpravujú prímesi (donor alebo akceptor) pomocou difúzie alebo implantácie iónov.
- Metalizácia: Vytvárajú sa kovové kontakty na pripojenie súčiastky k vonkajšiemu obvodu.
- Testovanie a balenie: Hotové súčiastky sa testujú a balia.
Použitie polovodičov
Polovodiče sa používajú v širokej škále aplikácií, vrátane:
- Diody a tranzistory: Základné stavebné prvky elektronických obvodov.
- Integrované obvody: Komplexné obvody, ktoré obsahujú milióny alebo miliardy tranzistorov.
- Solárne články: Premieňajú slnečné svetlo na elektrickú energiu.
- LED diódy a lasery: Používajú sa na osvetlenie a prenos dát.
- Snímače: Merajú rôzne fyzikálne veličiny, ako je teplota, tlak alebo svetlo.