Polovodiče:    Vlastní polovodič      Termistor     Fotorezistor       Tenzoelektrická součástka       Expozimetr      Fotobuňka        Světelná závora, zabezpečovací zařízení

Základy polovodičů

Jak lze pomocí elektřiny měřit teplotu, tlak nebo osvětlení? Jaké jsou další rozdíly mezi polovodiči a vodiči? Jak fungují různá zabezpečovací zařízení? Existuje vodič bez elektrického odporu?

Jak už bylo uvedeno zde ¤, polovodiče jsou látky, které mají šířku zakázaného pásu kolem 1 eV. To znamená, že při nízké teplotě (blízké 0 K) jsou všechny elektrony ve valenčním pásu (jsou vázány ke svým jádrům) a dodáme-li jim energii větší než je šířka zakázaného pásu, mohou se přesunout do vodivostního pásu ("utrhnout se" od svých jader) a stát se volnými.

Situaci přiblížíme na příkladu křemíku. Ten má elektronovou konfiguraci 1s²2s²2p⁶3s²3p². Má čtyři valenční elektrony (které vytváří vazby se sousedními atomy), které si "drží" čtyřmi vazbami (obr. 1).

obr. 1: Struktura křemíku při teplotě blízké 0 K (vpravo energetické hladiny)

Čím víc se zvyšuje teplota, tím víc kmitají atomy a mohou "ztratit" nějaké elektrony (obr. 2). Na uvolnění elektronu z vazby je potřeba energie 1,1 eV (tj. šířka zakázaného pásu je 1,1 eV). Na místě, kde byl elektron, vznikne nenasycená vazba, tzv. díra. Proces se nazývá generace páru elektron - díra. Ta může navázat nějaký volný elektron, který se dostane do její blízkosti. Proces zániku páru elektron - díra ("elektron spadne do díry") se nazývá rekombinace. 

obr. 2: Při zvýšení teploty se některé vazby poruší. Po elektronech, které opustily vazbu, zůstane nenasycená vazba - díra d.

Elektron je částice se záporným nábojem, díra vlastně představuje částici s kladným nábojem. Může se totiž rovněž přesouvat. Elektron ze sousední vazby přeskočí do vedlejší díry a ta se tak "posune" o místo vedle (ve skutečnosti se jedna díra zaplní a jiná vznikne, ala efekt je stejný, jakoby nic nezanikalo ani nevznikalo a díra se jen přesunula. Mluví se proto o pohybu díry) (obr. 3).

obr. 3: Pohyb díry d po křemíku

Pohyb elektronu a díry se musí dít najednou (elektron uvolní vazbu, zaplní díru a ta se tak pohybuje). Vypadá to tedy tak, že na jednu stranu se vždy pohybuje záporný elektron, na druhou stranu kladná díra. Toto je princip vlastního polovodiče. Má stejný počet elektronů a děr.

Připojíme-li polovodič ke zdroji napětí, pohybují se elektrony směrem ke kladné zdířce zdroje a díry směrem k záporné zdířce. Polovodičem protéká elektrický proud I, který je složen ze dvou částí: proudu I_d tvořeného dírami (děrový proud) a proudu I_e tvořeného elektrony (elektronový proud). Je tedy

I = I_e+I_d

Vzhledem k výše uvedenému principu polovodičů je jasné, že odpor polovodiče bude silně záviset na tom, jakou mu dodáme energii. To znamená například na světle a na teplotě. Ale kupodivu třeba i na tlaku.

Verze pro tisk