Elektrický prúd v polovodičoch

Ich široké využívanie v technickej praxi úzko súvisí s výraznou závislosťou ich elektrických vlastností napr. od teploty, prítomnosti prímesím, dopadajúceho žiarenia, magnetického poľa.

Z hľadiska vedenia elektrického prúdu rozdeľujeme látky na vodiče, polovodiče a izolanty. Za porovnávaciu môžeme zvoliť napr. merný elektrický odpor V. Kovové vodiče, napr. striebro, meď, hliník, majú veľmi malý merný elektrický odpor, rádovo 10^-6 W.m. Pre vodivé roztoky (elektrolyty), napr. vodný roztok kuchynskej soli, je rádovo 10^-2 W.m. Izolanty (dielektriká), napr. bakelit a sklo, charakterizuje naopak veľký merný elektrický odpor, rádovo väčší ako 10⁹ W.m. Polovodiče sú látky, ktoré majú merný elektrický odpor rádovo v intervale hodnôt 10^-2 W.m až 10⁹ W.m. Za veľmi nízkych teplôt sa stávajú izolantmi.

Medzi polovodiče patria niektoré chemické prvky, napr. kremík Si, germánium Ge, uhlík C (grafit), selén Se, telúr Te a niektoré chemické zlúčeniny napr. sulfid olovnatý PbS, sulfid kademnatý CdS. Aj niektoré organické látky, ako hemoglobín - najdôležitejšia zložka krvi alebo chlorofyl v listoch rastlín, sú polovodiče.

Typickým znakom polovodičov je, že merný elektrický odpor polovodičov V so zvyšujúcou teplotou sa rýchlo zmenšuje. V kovoch sa naopak V so zvyšujúcou teplotou mierne zväčšuje.

Veľká teplotná závislosť odporu polovodiča sa v praxi využíva pri termistoroch. Termistor je jednoduchá polovodičová súčiastka, ktorá sa skladá z kúska polovodiča (napr. z oxidov UO₂,NiO,Fe₃O₄ alebo ich zmesi) a dvoch elektrických prívodov. Meraním odporu termistora môžeme nepriamo merať teplotu danej látky s presnosťou až na 10^-3 K.

Pomocou termistorov môžeme merať napr. aj rýchlosť prúdenia tekutín. Umožňuje to skutočnosť, že vonkajšie ochladzovanie termistora, ktorým prechádza elektrický prúd, závisí od rýchlosti prúdenia tekutiny, ktorá obteká termistor. V elektrických prístrojoch sa termistory používajú na ochranu niektorých súčiastok pri zapnutí prístroja. Pritom sa využíva skutočnosť, že elektrický odpor termistora zaradeného sériovo so spotrebičom, sa s jeho zohrievaním znižuje v dôsledku prechodu prúdu. Napätie na spotrebiči sa zväčšuje pomalšie, čim sa zamedzí poškodeniu spotrebiča.

Vlastné polovodiče

Každý atóm Si je v tejto mriežke chemicky viazaný so štyrmi susednými atómami. Z toho vyplýva, že v kryštáli čistého kremíka nie sú voľné elektróny a že kremík musí byť izolant.

Kremík sa pri teplotách približujúcich sa O K skutočne správa ako izolant. Pri vyšších teplotách však kmity atómov mriežky môžu vyvolať porušenie väzieb medzi atómami. Zrušením niektorých väzieb vznikajú súčasne dva typy voľných častíc s nábojom, a to priamo v pároch. Sú to voľné elektróny a tzv. diery (častice s kladným elektrickým nábojom). Hovoríme teda o vzniku, čiže generácií párov voľný elektrón - diera.

"diera" týmto pojmom charakterizujeme situáciu, keď uvoľnený valenčný elektrón chýba vo väzbe medzi atómami. Kladný náboj získa diera z prebytku kladných nábojov atómového jadra, ktoré bolo pre uvoľnením valenčného elektrónu so všetkými elektrónmi prislúchajúcimi tomu istému atómu v rovnovážnom stave. Diera teda nepredstavuje skutočnú časticu s nábojom, ako je napr. protón.

V čistom kremíku sa hustota dier rovná hustote voľných elektrónov. Pri "stretnutí" voľného elektrónu s dierou obsadí voľný elektrón prázdne miesto v chemickej väzbe, čím nastane zánik páru voľný elektrón - diera. Z voľného elektrónu sa stane opäť valenčný (väzbový) elektrón. Zánik párov voľný elektrón - diera sa nazýva rekombinácia.

Bez prítomnosti elektrického poľa v polovodičoch je pohyb voľných elektrónov a dier chaoticky. Pohyb dier si predstavujeme tak, že niektorý z valenčných elektrónov susedných väzieb ( v danom okamihu ešte neporušených) preskočí na miesto porušenej. Súčasne sa však objaví diera na inom mieste, takže diery "putujú" po kryštáli polovodiča.

Keď je v polovodiči elektrické pole, potom sa voľné elektróny pohybujú proti smeru a diery v smere vektora intenzity tohto poľa. V polovodiči vznikne elektrický prúd (jav). Keďže oba druhy častíc majú opačné náboje a pohybujú sa v opačných smeroch, veličina výsledný elektrický prúd I v polovodiči sa rovná súčtu elektrónového prúdu I_e a dierového prúdu I_d: I = I_e+I_d.

Opísaný typ elektrickej vodivosti polovodičov sa nazýva vlastná vodivosť, lebo je umožnená vlastnými elektrónmi atómov polovodičov. Látky s touto vodivosťou tvoria vlastné polovodiče.

Z predchádzajúceho vysvetlenia vyplýva, že so zvyšujúcou teplotou, napr. prechodom väčších prúdov polovodičom, zvyšuje sa hustota voľných elektrónov a dier. Tým sa zmenšuje elektrický odpor polovodiča a pre závislosť medzi napätím a prúdom Ohmov zákon neplatí. Platí iba pri malých prechádzajúcich prúdoch.

V technickej praxi sa s praktickou aplikáciou vlastných polovodičov stretávame veľmi málo, lebo veľká teplotná závislosť merného odporu je zväčša nevýhodná. Oveľa častejšie sa používajú tzv. nevlastné polovodiče.

Nevlastné (prímesové) polovodiče Z hľadiska technického využitia polovodičov je mimoriadne dôležité, že elektrické vlastnosti polovodičov výrazne závisia od prímesí. Vhodným výberom prímesí možno dosiahnúť, aby v polovodiči prevažovala elektrónová alebo dierová vodivosť.

Všimnime si, čo sa stane, ak v kryštáli kremíka nahradíme niektorý atóm štvormocného kremíka päťmocným atómom fosforu (substitučný atóm). Fosfor má päť valenčných elektrónov. Pri jeho zabudovaní do kryštálovej mriežky sa štyri z nich zúčastnia kovalentnej väzby, čím zastúpia štyri elektróny chýbajúceho atómu kremíka. Piaty elektrón sa však už v chemickej väzby nemôže uplatniť. Zostáva veľmi slabo viazaný na pôvodný atóm fosforu, takže už pri pomerne nízkej teplote sa od neho odpúta a stane sa voľným elektrónom. Nevznikne však diera, preto v kremíku znečistenom fosforom je nadbytok voľných elektrónov. Takýto polovodič sa nazýva polovodič s elektrónovou vodivosťou alebo tiež polovodič typu N. Niekedy sa používa aj názov vodivosť typu N (od latinského slova negatív - záporný).

Možno vyrobiť aj polovodič s dierovou vodivosťou alebo polovodič typu P. Keď sa do kryštálu mriežky kremíka zabuduje atóm trojmocného prvku, napr. india In chýba mu na plné obsadenie kovalentnej väzby so štyrmi atómami Si jeden valenčný elektrón. Vznikne diera bez vzniku voľného elektrónu. Vodivosť spôsobená dierami sa volá dierová vodivosť polovodiča alebo vodivosť typu P (od latinského slova positiv - kladný).

Prímesové atómy, ktoré z polovodičovej látky tvoria polovodič typu N, nazývajú sa donory (od slova donor - dárca). Donory teda poskytujú kryštálu voľné elektróny. Pre kremík a germánium sú donormi napr. fosfor P, dusík N, arzén As, antimón Sb a bizmut Bi. Keďže prímesové atómy spôsobujú vznik polovodiča typu P, nazývajú sa akceptory (od slova akceptor - príjemca). Akceptory sú schopné zo svojho okolia prijať jeden väzbový elektrón, čím vznikajú diery. Pre kremík a germánium sú akceptory napr. indium In, bór B, hliník Al, gálium Ga.

Vložením polovodiča obsahujúceho aktívne prímesy zväčša jedného alebo druhého elektrického poľa, vzniká buď elektrónový alebo dierový prúd. Elektrická vodivosť tohto druhu nazývame nevlastná vodivosť, lebo je spôsobená prítomnosťou cudzích, nie vlastných atómov. Polovodiče s týmto mechanizmom elektrickej vodivosti sa volajú nevlastné (prímesové) polovodiče.

V nevlastných polovodičoch teda sprostredkuje elektrický prúd zväčša iba jeden typ voľných častíc s nábojom (voľné elektróny alebo diery). Tieto prevažujúce voľné častice s nábojmi nazývané väčšinové (majoritné). To však neznamená, že s danom nevlastnom polovodiči nie sú v menšom počte aj voľné častice s opačným nábojom, tzv. menšinové (minoritné).

Z vysvetlenia vyplýva, že v nevlastnom polovodiči je hustota voľných častíc s nábojom daná iba hustotou aktívnych prímesí. Táto hustota je stála a nezávisí od teploty.

Diódový jav

Medzi najdôležitejšie javy v polovodičoch, ktoré sa v praxi veľa využívajú, patria javy prebiehajúce na rozhraní dvoch polovodičov s rozličným typom vodivosti. V mieste rozhrania vzniká prechod PN ktorý sa vyznačuje tým, že má schopnosť usmerňovať - prepúšťa elektrický prúd iba jedným smerom.

Prechod PN sa v praxi tvorí v jednom kúsku polovodiča. Pre prehľadnosť sú v obrázku iba donory a akceptory (atómy vlastnej kryštálovej mriežky polovodiča nie sú).

Hustota voľných elektrónov a dier je v oboch častiach polovodiča taká rozmanitá, že nutne vzniká difúzia voľných elektrónov z časti s vodivosťou typu N do časti s vodivosťou typu P a naopak difúzia dier z časti s vodivosťou typu P do časti s vodivosťou typu N.

V dôsledku dejov sa v priestore okolo rozhrania utvára prechod PN ako elektrická dvojvrstva s iónmi opačnej polarity. Vzniknuté elektrické pole v prechode PN zabraňuje ďalšej difúzii väčšinových voľných častíc s nábojom. Pri istej veľkosti elektrickej intenzity tohto poľa sa utvorí rovnovážny stav. Oblasť prechodu PN je takmer bez voľných nabitých častíc. Preto má veľký elektrický odpor, ktorý rozhoduje o celkovom elektrickom odpore polovodiča.

Okrem väčšinových voľných častíc však existujú v každej časti aj menšinové voľné častice, diery v časti N a voľné elektróny v časti P. Preto elektrické pole prechodu PN spôsobuje prenos týchto menšinových častí do susednej oblasti. V rovnovážnom stave na prechode PN je počet voľných elektrónov, ktoré prejdú sprava doľava difúziou rovnako ako počet voľných elektrónov, ktoré prejdú zľava doprava vplyvom elektrického poľa. To isté platí pre prenos dier. Preto sa výsledný elektrický prúd na prechod PN rovná nule.

Ak vonkajšie napätie prekročí istú kritickú hodnotu, danú kvalitou prechodu PN, nastane lavínovité tvorenie voľných častíc s nábojom. To má za následok prudký pokles elektrického odporu prechodu PN a tým veľké zväčšenie elektrického prúdu. Tento jav môže spôsobiť prehriatie a tým aj poškodenie prechodu PN.

Opísaný jav závislosti elektrického odporu polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču, nazýva sa diódový jav. Polovodič s prechodom PN nazývame polovodičová dióda. V praxi sa zväčša využíva nelineárna závislosť prúdu od napätia v obvode s polovodičovou diódou.

Graf závislosti elektrického prúdu prechádzajúceho polovodičovou diódou od napätia na dióde sa nazýva voltampérová charakteristika polovodičovej diódy. Zvyšovaním napätia na dióde zapojenej v priepustnom smere sa prúd veľmi rýchlo zväčšuje. Dióda sa však môže veľkým prúdom prehriať a poškodiť. Preto sa na diódach označuje maximálna prípustná hodnota priepustného prúdu.

Tranzistorový jav

Pre prax má veľký význam - tranzistor. Je to prvok, ktorý obsahuje dva prechody PN. V súčasnosti sa používajú plošné tranzistory. Na protiľahlých stranách základnej polovodičovej platničky, napr. z kremíka s vodivosťou typu N sa utvoria dve oblasti s vodivosťou typu P.

Z fyzikálneho hľadiska je teda tranzistor tvorený kryštálom polovodiča s troma oblasťami s vodivosťou typu P,N a P, príp. N,P a N. Podľa toho hovoríme o tranzistore PNP alebo NPN. Základná platnička a teda aj stredná oblasť polovodiča medzi dvoma prechodmi PN a nazýva báza B, ďalšie dve oblasti kolektor C a emitor E.

Jedno z možných zapojení tranzistora, nazvané zapojenie so spoločnou bázou. Má emitorový a kolektorový obvod.

Zdroje napätia sú zapojené do obvodu tak, že prechod PN medzi emitorom E a bázou B je zapojený v priepustnom smere, kým prechod medzi bázou B a kolektorom C v záveternom smere. Pri tomto zapojení prechádza emitorom veľký prúd, kým kolektorom by mal prechádzať iba nepatrný záverný prúd. V skutočnosti je však kolektorový prúd takmer rovnako veľký ako emitorový prúd. Je to preto, že oba prechody PN sú veľmi blízko pri sebe, takže väčšina dier vstupujúcich z emitora do bázy (v nej sa stávajú menšinovými časticami) difunduje až do blízkosti prechodu PN báza-kolektor, kde sú priťahované kolektorom. Takmer všetok emitorový prúd sa tak dostane tenkou bázou do kolektora. Zmena emitorového prúdu vyvolá podobnú zmenu kolektorového prúdu. Kolektorový prúd je teda ovládaný emitorovým prúdom.

Kolektorový prúd býva o niečo menší ako emitorový, lebo niektoré diery, ktoré prechádzajú z emitora do bázy, sa do kolektora nedostanú. V báze rekombinujú, čím prispievajú k prúdu prechádzajúceho prívodom bázy. Prúd bázy je pritom oveľa menší ako kolektorový a emitorový prúd.

Opísané vlastnosti tranzistora, ktoré sú postatou tranzistorového javu, využívajú sa v elektronike na zosilňovanie.

Keď do kolektorového obvodu zaradíme vhodný zaťažovací rezistor s odporom R (t.j. s odporom porovnateľným s odporom prechodu PN), vznikajú na ňom pri zmenách kolektorového prúdu oveľa väčšie zmeny napätia, ako sú zmeny napätia zosilňovaného signálu. Nastáva zosilnenie napätia.

V elektrotechnických zariadeniach sa tranzistory využívajú zväčša v zapojený so spoločným emitorom, ktoré je vhodnejšie pri spájaní tranzistorov (viacstupňové zosilňovače).

Dôležitým parametrom tranzistora je prúdový zosilňovací činiteľ b definovaný vzťahom (DI_C)

ß=(---)

(DI_B)_UCE=konšt.

kde DI_C je zmena kolektorového prúdu a DI_B zmena bázového prúdu (ktorý zmenu DI_C vyvolal) pri konštantnom napätí U_CE medzi kolektorom a emitorom. Parameter ß dosahuje v praxi hodnotu okolo 100.

Vlastnosti tranzistora nemožno celkom vyjadriť jedným parametrom, dokonca ani niekoľkými parametrami. Preto sa na opis vlastností tranzistora používajú charakteristiky tranzistorov. Jednou charakteristikou pri zapojení tranzistora so spoločným emitorom je napr. závislosť kolektorového prúdu IC od bázového prúdu I_B pri konštantnom napätí U_CE medzi kolektorom a emitorom. To je tzv. prevodová charakteristika tranzistora.