Polovodiče

Jak se z kamene stane čip?

Křemen ve skále, písek na pláži a procesor v telefonu vypadají, jako by neměly nic společného. Přesto všechny spojuje křemík. V přírodě jej potkáváme hlavně vázaný s kyslíkem v oxidu křemičitém; pro výrobu elektroniky se z něj složitě získává téměř dokonale čistý krystal. Ten se rozřeže na tenké lesklé destičky – wafery – a na jejich povrchu vznikají obvody obsahující miliardy nepatrných součástek.

Samotná čistota ale ještě nevysvětluje, proč je křemík tak výjimečný. Není ani dobrým vodičem jako měď, ani stálým izolantem jako sklo. Jeho schopnost vést proud lze citlivě měnit – teplem, světlem a později i nepatrným množstvím příměsi. Právě tato ovladatelnost umožnila, aby se nenápadný prvek z hornin stal základem téměř veškeré elektroniky.

Video ukazuje cestu od suroviny přes monokrystal a wafer až k hotovým čipům. V této kapitole se zaměříme na první otázku této cesty: čím se elektrické vlastnosti polovodiče liší od kovu a izolantu?

Mezi vodičem a izolantem

Látky nelze jednoduše rozdělit jen na vodiče a izolanty. Jejich měrný elektrický odpor se liší o mnoho řádů a mezi oběma skupinami leží polovodiče. Samotná hodnota odporu však není jejich nejdůležitějším znakem. Podstatné je, že jejich vodivost lze výrazně ovlivnit teplotou, osvětlením nebo přidáním nepatrného množství jiné látky.

10⁻⁸ 10⁻⁴ 10⁰ 10⁴ 10⁸ měrný elektrický odpor ρ [Ω·m] – orientačně vodiče polovodiče izolanty např. měď např. křemík např. sklo
Hranice mezi skupinami nejsou ostré a hodnoty silně závisejí na materiálu, čistotě a teplotě. Logaritmická osa ukazuje především obrovský rozsah měrných odporů.

Prvkové polovodiče

Nejdůležitější je křemík (Si); patří sem také germanium (Ge), selen (Se) nebo tellur (Te).

Sloučeninové polovodiče

Například arsenid gallia (GaAs), sulfid kademnatý (CdS) nebo sulfid olovnatý (PbS). Jejich vlastnosti se hodí pro různé oblasti spektra a různé součástky.

Co se děje v čistém křemíku?

Atom křemíku má čtyři valenční elektrony. V krystalu vytváří se čtyřmi sousedními atomy kovalentní vazby. Při velmi nízké teplotě jsou elektrony ve vazbách pevně vázané a čistý křemík vede proud jen nepatrně.

Dodáme-li dostatek energie – například zahřátím nebo osvětlením – může se některý elektron z vazby uvolnit. V krystalu pak vzniknou současně dva nositelé náboje: volný elektron a díra v místě, které elektron opustil.

Si Si Si Si 1. Vázané elektrony 2. Dodání energie − 3. Elektron a díra + díra − volný elektron Dodáním energie vzniká vždy dvojice: volný elektron a díra.
Dvourozměrný model: u každého atomu křemíku jsou znázorněny jeho čtyři valenční elektrony směřující do vazeb. Ve skutečném krystalu jsou vazby prostorově uspořádané a vazebné elektrony jsou sdílené sousedními atomy. Uvolněný elektron je zakreslen pod mřížkou, aby jeho poloha byla zřetelná.
1. Elektrony ve vazbách Si Si Si Si Si Si Si Si Si 2. Dodání energie Si Si Si Si Si Si Si Si Si 3. Elektron a díra Si Si Si Si Si Si Si Si Si − + volný elektron díra Vzniká vždy dvojice: jeden volný elektron a jedna díra.
Zjednodušené dvourozměrné schéma krystalu. Modré body představují elektrony ve vazbách; po dodání energie vznikne pár elektron–díra.
Vlastní polovodivost: elektrický proud v čistém polovodiči vedou současně volné elektrony a díry, které vznikly dodáním energie.

Jak se může pohybovat díra?

Díra není samostatná částice ukrytá v krystalu. Je to neobsazené místo ve vazbě. Elektron ze sousední vazby může toto místo zaplnit, ale tím po sobě zanechá novou díru. Opakováním tohoto děje se zdá, jako by se kladně nabitá díra pohybovala krystalem opačným směrem než elektrony.

1 2 3 Si Si Si Si Si Si Si Si Si díra je vpravo elektron se přesune do díry díra se jeví posunutá vlevo
První a druhý obrázek zachycují stejný výchozí stav; šipka ve druhém ukazuje přesun sousedního elektronu do díry. Ve třetím je původní díra zaplněná a nové neobsazené místo vzniklo vlevo. Díra se proto zdánlivě pohybuje opačným směrem než elektrony.

Přiložíme-li elektrické pole, elektrony a díry přispívají k elektrickému proudu. Konvenční směr proudu odpovídá pohybu kladných nositelů, tedy děr; elektrony se pohybují opačně.

Vznik a zánik nositelů náboje

Generace

Dodaná energie uvolní elektron z vazby. Vznikne dvojice volný elektron + díra.

Rekombinace

Volný elektron zaplní díru a znovu se naváže. Elektron i díra jako volné nositele zaniknou a energie se předá okolí.

V ustáleném stavu oba děje probíhají současně. Počet volných nositelů proto nezáleží jen na tom, kolik jich vzniká, ale také na tom, jak rychle rekombinují.

Proč se při vzniku páru nezmění celkový náboj krystalu?

Elektron krystal neopustil; pouze se uvolnil z vazby. Záporný náboj volného elektronu a kladný náboj připisovaný díře se navzájem vyrovnávají. Krystal jako celek zůstává elektricky neutrální.

Proč zahřátí zvyšuje vodivost?

Součástka, která se po zahřátí začne chovat úplně jinak

Kovový vodič zahřejeme a jeho odpor se obvykle zvětší. Elektrony se v rozkmitané krystalové mřížce pohybují obtížněji. Co kdyby ale existovala látka, u níž zahřátí naopak uvolní další částice schopné přenášet náboj? Její odpor by mohl klesnout – a obvodem by při stejném napětí procházel větší proud.

Přesně tak se chovají mnohé polovodiče. Při nízké teplotě mohou vést proud jen velmi málo, ale teplo, světlo nebo jiná dodaná energie jejich vodivost výrazně změní. Této citlivosti dnes využívají teplotní čidla, automatické osvětlení, požární hlásiče, fotoaparáty i solární články.

Předpověď: co se při zahřívání běžného polovodičového termistoru typu NTC stane s jeho odporem?

Rychlá ukázka: zahřejte termistor v prstech

Připojte NTC termistor k multimetru nastavenému na měření odporu. Nejprve odečtěte odpor při pokojové teplotě a potom součástku sevřete mezi prsty. Hodnota začne klesat. Už nepatrné zahřátí tak ukáže chování opačné než u kovového vodiče.

V kovech už je volných elektronů velmi mnoho. Zahřívání hlavně zesiluje kmity mřížky a pohyb elektronů brzdí, takže odpor roste. U vlastního polovodiče je rozhodující jiný děj: s teplotou prudce roste počet elektronů, které získají dost energie k uvolnění z vazby. Přibývá tedy elektronů i děr schopných vést proud.

T R kov polovodič kvalitativní průběh – konkrétní tvar závisí na materiálu
U kovu odpor s teplotou obvykle roste. U vlastního polovodiče převládne rychlý růst počtu volných nositelů a odpor klesá.
Pozor na formulaci: se zahříváním se „nepohybuje jeden elektron snadněji“. Naopak častěji naráží do kmitající mřížky. Vodivost přesto roste, protože výrazně přibývá volných elektronů a děr.

Vyzkoušejte, co ovlivňuje odpor polovodiče

Posuvníky ovládají dvě situace podobné skutečnému měření. Vlevo je běžný diskový NTC termistor ponořený ve vodní lázni, vpravo typický fotorezistor osvětlený lampou. Sledujte současně podmínky pokusu i změnu odporu.

NTC termistor ve vodní lázni

NTC 20 °C vyhřívání lázně

Relativní odpor NTC: 100 %

Fotorezistor pod lampou

fotorezistor (LDR) osvětlení 20 %

Relativní odpor LDR: 100 %

V obou případech dodaná energie zvětšuje počet volných nositelů. U NTC termistoru ji dodává teplo, u fotorezistoru dopadající světlo.

Experiment: termistor a fotorezistor

Termistor

Pomůcky: NTC termistor, multimetr, nádoba s vodou, teploměr, teplá a studená voda.

  1. Změřte odpor při pokojové teplotě.
  2. Termistor vložte postupně do studené a teplé vody; vývody a multimetr udržujte suché.
  3. Pro několik teplot zapište odpor a sestrojte graf R(T).

Fotorezistor

Pomůcky: fotorezistor, multimetr, baterka nebo svítilna v telefonu, neprůhledná krabička.

  1. Změřte odpor při běžném osvětlení.
  2. Fotorezistor zakryjte a potom jej osvětlujte z různých vzdáleností.
  3. Porovnejte odpor ve tmě a na světle.
Co bychom měli pozorovat?

U běžného NTC termistoru odpor s rostoucí teplotou klesá. Také odpor fotorezistoru se při silnějším osvětlení zmenšuje. Závislosti nejsou lineární a konkrétní hodnoty závisejí na použité součástce.

Poznámka pro učitele

U termistoru lze měření urychlit třemi kádinkami s přibližně známou teplotou. Pro fotorezistor je lepší udržet geometrii stálou a měnit intenzitu například zakrýváním několika vrstvami pauzovacího papíru; pouhá změna vzdálenosti současně mění osvětlenou plochu a bývá hůře reprodukovatelná.

Kde se toho využívá?

Termistor

NTC termistory měří a hlídají teplotu například v digitálních teploměrech, akumulátorech, 3D tiskárnách nebo domácích spotřebičích. Změna odporu se v obvodu převede na měřitelné napětí.

Fotorezistor

Fotorezistor reaguje na osvětlení. Lze jej použít v jednoduchém soumrakovém spínači, světelném čidle nebo školním měřiči intenzity světla.

Proč právě polovodiče?

Nejcennější není to, že vedou „napůl“, ale že jejich vodivost lze řídit. Teplota a světlo jsou první dvě možnosti. V další kapitole přidáme řízení pomocí nepatrného množství příměsi – základ většiny dnešní elektroniky.

Časté omyly

  • „Polovodič vede přesně napůl mezi vodičem a izolantem.“ Název neznamená poloviční vodivost. Odpor závisí na materiálu, čistotě, teplotě, osvětlení i dalších podmínkách.
  • „Díra je skutečná kladná částice vložená mezi atomy.“ Díra je neobsazené místo po elektronu ve vazbě; chová se však jako pohyblivý kladný nositel náboje.
  • „Po vzniku elektronu a díry je krystal nabitý.“ Elektron krystal neopustil, pouze změnil stav. Dvojice má dohromady nulový náboj.
  • „Zahřátý polovodič vede lépe, protože se elektrony pohybují bez překážek.“ Srážek přibývá, ale mnohem rychleji roste počet volných elektronů a děr.
  • „Rekombinace znamená spojení elektronu s protonem.“ Elektron zaplní neobsazené místo ve vazbě; nejde o jaderný děj.
  • „Každému polovodiči odpor při zahřátí vždy klesá.“ To je vhodný základní popis vlastního polovodiče a NTC termistoru, ne univerzální pravidlo pro všechny polovodičové součástky a všechny teploty.

Česko-anglický slovníček

polovodič
semiconductor
vlastní polovodič
intrinsic semiconductor
vlastní polovodivost
intrinsic conduction
volný elektron
free electron
díra
hole
nositel náboje
charge carrier
kovalentní vazba
covalent bond
generace páru
electron–hole pair generation
rekombinace
recombination
termistor
thermistor
fotorezistor
photoresistor / light-dependent resistor
měrný elektrický odpor
electrical resistivity