Vlastní vodivost polovodiče

Základními polovodivými materiály jsou prvky IV. skupiny Mendělejevovy periodické soustavy prvků. Jsou to uhlík (diamant), křemík, germanium, cín a olovo. Ve valenční sféře mají čtyři elektrony a jejich atomy jsou vázány kovalentní vazbou (obr.1).

Obr. 1: Kovalentní vazba mezi atomy čistého čtyřmocného polovodiče (atom je označen symbolem +4, valenční elektrony jsou představovány šipkami)

Šířka zakázaného pásu těchto prvků klesá s rostoucí atomovou hmotností (C≈5 eV, Si≈1,12 eV, Ge≈0,72 eV, Sn≈0,3 eV, Pb≈0,1 eV). Z těchto prvků se nejvíce používají křemík a germanium. K uvolnění elektronu od atomu polovodiče dochází po přestupu elektronu z valenční sféry do vodivostní, tj. po překonání zakázaného pásu. K tomu je zapotřebí, aby atom přijal určité množství (kvantum) energie ve formě tepla nebo záření. Při teplotě absolutní nula (0 K = 273,15 ºC) 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 a vodivost polovodiče je za těchto podmínek nulová (obr. 1).

Přivede-li se však z vnějšku do látky takové množství energie, které elektronům dovolí překonat zakázaný pás, dojde k rozbití některých vazeb (obr. 2).

Obr. 2: Kovalentní vazba mezi atomy čistého čtyřmocného polovodiče s přiváděnou energií

Energie může být přiváděna ve formě záření W = h.ν, kde h je Planckova konstanta (h = 6,624 . 10^-34 Js) a ν je kmitočet záření. Tyto uvolněné elektrony se volně pohybují krystalovou mřížkou a umožňují vedení elektrického proudu. Ve vazbě, ze které byl elektron uvolněn, zbývá volné místo nazývané díra, která působí na okolní náboje stejným způsobem, jako kdyby se v daném místě nacházel kladný náboj stejně velký jako náboj elektronu. K zaplnění této díry dojde buď přitažením některého volného elektronu (rekombinací), nebo tím, že v důsledku kmitání 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 jejich neustálému pohybu, k jejich rekombinaci i opětnému uvolňování. Současně je v látce stále přítomno určité množství volných elektronů i kladných nábojů (děr).

Je také zřejmé, že střední doba života elektronů a děr v 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. Tento druh vodivosti a tímto způsobem vznikající se nazývá vlastní (intrinzická) vodivost polovodiče. Tato vodivost s rostoucí teplotou roste, při teplotách okolí cca +20ºC je poměrně malá.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Kovalentní vazba mezi atomy čistého čtyřmocného polovodiče (atom je označen symbolem +4, valenční elektrony jsou představovány šipkami), Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Kovalentní vazba mezi atomy čistého čtyřmocného polovodiče s přiváděnou energií, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009