Výhody polovodičů

Polovodiče jsou látky, jejichž elektrická vodivost leží mezi vodivostí dobrých vodičů a izolátorů. Polovodiče bez jakékoli nečistoty se nazývají vnitřní polovodiče. Germanium a křemík jsou nejčastěji používané vnitřní polovodiče. Ge (atomové číslo 32) i křemík (atomové číslo 14) patří do čtvrté skupiny periodické tabulky a jsou čtyřmocné.

Při teplotách blízkých absolutní nule se čisté Ge a Si chovají jako dokonalé izolátory. Ale jejich vodivost se zvyšuje se zvyšováním teploty. Pro Ge je vazebná energie elektronu v kovalentní vazbě 0,7 eV. Pokud je tato energie dodávána ve formě tepla, dojde k přerušení některých vazeb a uvolnění elektronů.

Za běžných teplot se některé elektrony uvolní z atomů krystalu Ge nebo Si a putují v krystalu. Absence elektronu na dříve obsazeném místě znamená pozitivní náboj na tomto místě. Na místě uvolnění elektronu se říká, že se vytváří „díra“. (Prázdná) díra odpovídá kladnému náboji a má tendenci přijímat elektron.

Když elektron skočí do díry, vytvoří se nová díra v místě, kde byl elektron dříve. Pohyb elektronů v jednom směru je ekvivalentní pohybu otvorů v opačném směru. Ve vnitřních polovodičích tedy vznikají otvory a elektrony současně a oba fungují jako nosiče náboje.

Existují dva typy vnějších polovodičů: typ n a typ p.

polovodič typu n: Prvky jako arsen (As), antimon (Sb) a fosfor (P) jsou pentavalentní, zatímco Ge a Si jsou čtyřmocné. Pokud se ke krystalu Ge nebo Si přidá malé množství antimonu jako nečistota, pak z jeho pěti valentních elektronů vytvoří čtyři kovalentní vazby se sousedními atomy Ge. Pátý elektron antimonu se ale v krystalu téměř volně pohybuje.

Pokud se na dotovaný Ge-krystal aplikuje potenciální napětí, volné elektrony v dopovaném Ge se budou pohybovat směrem ke kladnému konci a vodivost se zvýší. Vzhledem k tomu, že záporně nabité volné elektrony zvyšují vodivost dotovaného ge krystalu, nazývá se to polovodič typu n.

polovodič typu p: Pokud se v a přidá trojmocná nečistota jako indium, hliník nebo bor (mající tři valenční elektrony) velmi malý podíl k čtyřmocnému Ge nebo Si, pak se vytvoří tři kovalentní vazby se třemi atomy Ge. Čtvrtý valenční elektron Ge však nemůže tvořit kovalentní vazbu s indiem, protože k párování nezbývá žádný elektron.

Absence nebo nedostatek elektronu se nazývá díra. Každá díra je v tomto bodě považována za oblast kladného náboje. Protože vodivost Ge dopovaného indiem je způsobena otvory, nazývá se to polovodič typu p.

Typ n a typ p jsou tedy dva typy polovodičů a jejich použití je vysvětleno následovně: polovodič a polovodič typu n jsou spojeny dohromady a společné rozhraní se nazývá p-n křižovatka dioda.

Spojovací dioda p-n se používá jako usměrňovač v elektronických obvodech. Tranzistor je třívodičové polovodičové zařízení, které je vyrobeno sendvičováním tenkého plátku materiálu typu n mezi dva větší kusy materiálu typu p nebo tenký plátek polovodiče typu p mezi dvěma většími kusy typu n polovodič. Existují tedy dva typy tranzistorů: p-n-p a n-p-n. Tranzistor se používá jako zesilovač v elektronických obvodech.

Porovnání polovodičové diody a vakua by poskytlo živější pohled na výhody polovodičů.

• Na rozdíl od vakuových diod nejsou v polovodičových součástech žádná vlákna. K emitování elektronů v polovodiči tedy není nutné žádné zahřívání.
• Polovodičová zařízení lze provozovat okamžitě po zapnutí obvodového zařízení.
• Na rozdíl od vakuových diod polovodiče v době provozu polovodiče nevydávají žádný zvuk.
• Ve srovnání s elektronkami potřebují polovodičová zařízení vždy nízké provozní napětí.
• Protože polovodiče jsou malé velikosti, obvody, které je zahrnují, jsou také velmi kompaktní.
• Na rozdíl od elektronek jsou polovodiče odolné proti nárazům. Navíc jsou menší a zabírají méně místa a spotřebovávají méně energie.
• Ve srovnání s elektronkami jsou polovodiče extrémně citlivé na teplotu a záření.
• Polovodiče jsou levnější než vakuové diody a mají neomezenou životnost.
• Polovodičová zařízení nepotřebují pro provoz vakuum.

Stručně řečeno, výhody polovodičových zařízení daleko převažují nad výhodami vakuových elektronek. S příchodem polovodičového materiálu bylo možné vyvinout malá elektronická zařízení, která byla sofistikovanější, odolnější a kompatibilní.

Nejběžnějším polovodičovým zařízením je tranzistor, který se používá k výrobě logických bran a digitálních obvodů. Aplikace polovodičových zařízení se také rozšiřují na analogové obvody, které se používají v oscilátorech a zesilovačích.

Polovodičová zařízení se také používají v integrovaných obvodech, které pracují při velmi vysokém napětí a proudu. Aplikace polovodičových součástek lze vidět také v každodenním životě. Například vysokorychlostní počítačové čipy jsou vyrobeny z polovodičů. Polovodičové materiály využívají také telefony, lékařská zařízení a robotika.