Fyzikální základy polovodičů

Popsaný druh vodivosti, podmíněný vznikem volně pohyblivých párů nosičů náboje elektron-díra v důsledku rozbíjení vazeb mezi atomy čistého polovodiče, se nazývá vlastní intrinzická vodivost polovodiče. Je zřejmé, že vlastní vodivost polovodiče při zvyšování teploty roste. Při teplotách v okolí +20 °C je poměrně malá.

Kovalentní vazba mezi atomy čistého čtyřmocného polovodiče. Symbolem +4 je označen atom bez valenčních elektronů. Valenční elektrony jsou představovány šipkami. a) není přiváděna energie, b) přivádíme-li energii ve formě záření hu je energie fotonu, h = 6,624.10-34J.s je plankova konstanta a u je frekvence záření.

Nevlastní vodivost polovodiče

Nahradíme-li v krystalové mřížce čtyřmocného prvku (Ge nebo Si) některé jeho atomy pětimocným prvkem, např. P, As, Sb (obvykle připadá jeden atom příměsi na několik milionů atomů základního prvku), využijí se do čtyř dvojic elektronů, které tvoří nasycenou kovalentní vazbu atomů krystalu, pouze čtyři z pěti valenčních elektronů příměsi. Pátý elektron, který se vazby neúčastní, je poután k jádru velmi volně. K jeho uvolnění postačuje energie řádu setin elektronvoltu, která je za běžných podmínek do látky trvale přiváděna (teplo z okolního prostředí, různé druhy záření atd.). Uvolněné elektrony pětimocných příměsí (tzv. donorů = dárců) se pohybují prostorem krystalové mřížky. Vytvářejí vodivost zprostředkovanou pohybem záporných (negativních) nábojů, kterou nazýváme nevlastní vodivost typu N (elektronová vodivost). Je samozřejmé, že po odtržení elektronu se atom příměsi (donoru) stane jednomocným kladným iontem, který sice působí na okolní náboje svým elektrostatickým polem, avšak sám je pevně poután v krystalové mřížce. Svůj náboj nemůže přenášet do jiného místa v látce. (Vedení proudu se neúčastní.) Je zřejmé, že přestože se v látce pohybuje velký počet volných elektronů, projevuje se látka navenek jako elektricky neutrální, neboť ke každému volnému elektronu přísluší jeden kladný iont.

Nahradíme-li v krystalové mřížce čistého čtyřmocného polovodiče některé atomy základního materiálu atomy trojmocného prvku, např. B, Al, Ga, In, chybí jeden elektron k tomu, aby se mohla vytvořit nasycená kovalentní vazba vytvořená ze čtyř dvojic elektronů. Jak jsme již dříve vysvětlili, chová se volné místo ve vazbě zvané díra jako pohyblivý kladný náboj, který umožňuje vedení proudu látkou. Vodivost vytvořená popsaným způsobem, která využívá k vedení proudu pohybu kladných (pozitivních) nábojů, se nazývá nevlastní vodivost typu P děrová vodivost).

Atom trojmocného prvku nazýváme akceptor, neboť při zaplnění nenasycené vazby přijme akceptuje) do své valenční sféry jeden elektron. Tím se stane jednomocným záporným iontem. Ionty akceptoru se stejně jako ionty donoru neúčastní vedení proudu v látce, neboť jsou pevně vázány v krystalové mřížce.