Fyzikální základy polovodičů

5. Fyzikální základy polovodičů

Vlastní vodivost polovodiče

Základními polovodivými materiály jsou prvky IV. skupiny Mendělejevovy periodické soustavy prvků. Uhlík (diamant), křemík, germanium, cín a olovo. Ve valenční sféře mají čtyři elektrony a jejich atomy jsou vázán kovalentní vazbou tvořenou čtyřmi dvojicemi elektronů. Šířka zakázaného pásu těchto prvků klesá se vzrůstající atomovou hmotností (C ≈ 5 eV, Si ≈ 1,12 eV, Ge ≈ 0,72 eV, Sn ≈ 0,3 eV, Pb ≈ 0,1 eV). V dnešní době našly největší uplatnění křemík, germanium a pro některé aplikace olovo.

Čisté polovodivé materiály mají atomy uspořádané do pravidelné krystalické mřížky (tvoří monokrystal).V 1cm3 je asi 1023 atomů.

K uvolnění elektronu od atomu polovodiče dochází po přestupu elektronu z valenční sféry do vodivostní, tj. po překročení zakázaného pásu. Aby elektron mohl zakázaný pás překonat, je nutné, aby atom přijal určité kvantum energie ve formě tepla nebo záření. Při teplotě absolutní nuly (bez přívodu energie) zaujímají elektrony valenční sféry polohy na drahách nejbližších k jádru a jsou ve vazbách pevně vázány. Valenční sféra je velmi pevná, neboť je v součinnosti s okolními atomy doplněna na osm elektronů (nasycená kovalentní vazba). Protože jsou všechny valenční elektrony atomů v těchto vazbách využity, nezbývá žádný elektron k vedení elektrického proudu. V důsledku toho je za těchto podmínek vodivost polovodiče nulová.

Přivedeme-li však z vnějšku do látky takové množství energie, které elektronům dovolí překonat zakázaný pás, dojde k rozbití některých vazeb. Elektrony uvolněné z těchto vazeb se volně pohybují krystalovou mřížkou a umožňují vedení elektrického proudu. Ve vazbě, ze které byl elektron uvolněn, zbývá volné místo nazývané díra. Protože nenasycená vazba má snahu doplnit se opět na osm elektronů (nasytit se), působí díra na okolní náboje stejným způsobem, jako kdyby se v daném místě nacházel kladný náboj stejně velký jako náboj elektronu. K zaplnění díry ve vazbě dojde buď přitažením některého volného elektronu (rekombinací), nebo tím, že v důsledku pohybu krystalové mřížky se v určitém okamžiku přiblíží některý ze sousedních atomů natolik, že dojde k vytržení elektronu z některé jeho vazby. Tento elektron zaplní volné místo ve vazbě prvního atomu, avšak díra se objeví ve vazbě jiného atomu, z jehož vazby byl elektron odtržen.

Popsaný děj se v látce neustále a na mnoha místech současně opakuje. Působením přiváděné energie dochází neustále ke vzniku párů elektron-díra, k neustálému pohybu elektronů i děr, k jejich rekombinaci i opětnému uvolňování. Přitom je v látce stále přítomno určité množství volných elektronů i kladných nábojů (děr).

Je zřejmé, že střední doba života elektronů i děr v popisovaném čistém polovodiči je stejná, neboť při rozbití vazby vznikne pár elektron-díra a při rekombinaci opět celý pár zanikne. Pohyblivost děr je však vzhledem k mechanismu jejich pohybu mnohem (asi 3 až 4krát menší než pohyblivost elektronů.