Polovodičová zařízení jsou řídicími součástmi špičkových i zcela běžných zařízení. Jejich široké využití souvisí s tím, že je lze využít k propojení se všemi lidskými smysly. Světelné diody (LED) a polovodičové lasery produkují světlo používané ve všech druzích displejů, které spolupracují se zrakem. Prvními aplikacemi polovodičových zařízení bylo použití tranzistorů v rádiích a zesilovačích, které spolupracují s naším sluchem. Termoelektrika jsou polovodičová zařízení, která lze použít k ohřevu nebo chlazení – rozhraní se smyslem pro hmat. Polovodičová zařízení sice nevyzařují pach nebo chuť, ale lze je využít jako senzory pro monitorování pachových nebo toxických látek, které se propojují se smysly čichu a chuti. Moderní smysl pro čas, poháněný informační revolucí, do jisté míry ukazuje zpět k polovodičovým zařízením.
Na počátku jednadvacátého století bylo vyrobeno více polovodičových zařízení než jakýchkoli jiných vyráběných věcí. Na jediném osmipalcovém křemíkovém plátku je vyrobeno více než deset miliard součástek. Ve čtyřicátých letech minulého století se úlohy jednoduchých polovodičových zařízení vykonávaly pomocí elektronek a mechanických relé. (Jestliže vakuová trubice zabírala jeden čtvereční palec plochy, stejných deset miliard zařízení, která se vešla na osmipalcovou destičku, by zabíralo 6,5 kilometru čtverečního.) Vynález tranzistoru v roce 1947 v Bellových laboratořích zahájil elektronický věk, který začal telefony a rádii a nakonec přinesl stále menší a rychlejší počítače, účinnější osvětlení, prostředky pro získávání elektrické energie ze Slunce a mnoho dalšího.
Materiály polovodičových zařízení
Polovodičová zařízení se skládají ze složitých organizací krystalických materiálů, které vykazují izolační, polovodičové nebo vodivé vlastnosti. Izolátory, obvykle složené z SiO2, blokují tok proudu z jedné části zařízení do druhé. Polovodiče, obvykle křemík nebo materiály příbuzné křemíku, jsou hlavními materiály polovodičových zařízení, které řídí počet a rychlost toku nabitých nosičů (elektronů nebo děr). Díry vznikají při odebrání elektronu a nesou tak kladný náboj. Vodiče, obvykle kovy, jako je hliník nebo měď, se používají pro elektrické připojení zařízení. Konstrukcí, fungováním a výrobou polovodičových zařízení se obecně zabývá fyzika a inženýrství. Vlastnosti materiálů používaných k výrobě zařízení však určuje chemie.
Rozdíl mezi vodiči, polovodiči a izolanty je dán tím, jak snadno se mohou elektrony (nebo díry) pohybovat krystalickým materiálem. Pohyb (delokalizace) elektronů, resp. jejich lokalizace na jednotlivých atomech nebo mezi nimi, je určen chemickou vazbou. V krystalu je nutné brát v úvahu spíše opakující se vazebné interakce mezi mnoha atomy než jen vazebné interakce mezi dvěma atomy v izolované molekule.
Uvažujme vazebnou analogii mezi molekulou dihydrogenu, H2, a hypotetickým jednorozměrným krystalem vodíku, Hn, symbolicky znázorněným na obrázku 1. V krystalu je nutné brát v úvahu i vazebné interakce mezi dvěma atomy. Každý atom vodíku má jeden elektron v jednom atomovém orbitalu . Když se dva takové atomy spojí, elektrony jsou mezi nimi sdíleny ve vazebném molekulovém orbitalu σ, kde jsou orbitaly ve vzájemné fázi. Při vyšší energii vzniká také antivazebný orbital σ*, kde jsou oba orbitaly vůči sobě mimo fázi. Stabilní vazebná situace vzniká, když elektronová konfigurace zaplní vazebné molekulové orbitaly a antivazebné molekulové orbitaly zůstávají prázdné.
Když se přibližně nekonečný počet atomů spojí do krystalu, přinesou s sebou nekonečný počet orbitalů a příslušných elektronů. Když jsou všechny tyto orbitaly ve fázi, vznikne krystalový orbital s nejnižší energií. Když jsou všechny mimo fázi, vznikne krystalový orbital s nejvyšší energií. Při téměř nekonečném počtu atomů, a tedy téměř nekonečném počtu atomových orbitalů, však musí existovat téměř nekonečný počet vytvořených krystalových orbitalů s energiemi na pomezí nejvíce vazebných a nejvíce antivazebných hladin. Tento soubor krystalových orbitalů se označuje jako energetický pás.
Každý pás lze naplnit elektrony podobně, jako když se plastová láhev plní pískem. Pokud je tato láhev s pískem zcela plná, je možné ji naklonit nebo dokonce otočit dnem vzhůru a zrnka písku se nepohnou. Pokud plastová láhev není zcela plná (tj. částečně naplněný pás), pak se zrnka písku mohou při naklonění láhve snadno pohybovat. Nejsou lokalizována v jedné poloze, ale jsou delokalizována po celém horním povrchu. Podobně jsou elektrony částečně zaplněného pásu delokalizovány po celém krystalu a mohou vést elektrický proud. Energie nejvýše zaplněných hladin se nazývá Fermiho energie.
Pochopení vodivosti
Kovový vodič je látka, která má částečně zaplněný pás. K přesunu elektronů ze zaplněné hladiny na prázdnou hladinu v pásu je zapotřebí velmi málo energie; to má za následek vysokou vodivost, protože na Fermiho hladině není žádná energetická mezera. Když se sníží teplota kovového vodiče, vodivost se zvýší, protože se zpomalí tepelný pohyb atomů v krystalu, což umožní snadnější pohyb elektronů.
Naproti tomu polovodiče i izolanty mají pásovou strukturu, ve které jsou všechny jejich elektronické pásy buď zcela zaplněné, nebo zcela prázdné. Protože skutečné krystaly mají na rozdíl od příkladu s vodíkem více než jeden orbital, bude existovat několik pásů, které dávají vzniknout elektronové pásové struktuře. Pásy zaplněné elektrony se vyskytují pod Fermiho energií a pásy s vyšší energií jsou prázdné. Rozdíl energií mezi nejvyšší částí zaplněného pásu a nejnižší částí prázdného pásu je pásmová mezera. Rozdíl mezi izolantem a polovodičem spočívá ve velikosti pásové mezery. Materiál s pásovou mezerou menší než přibližně 3,5 eV se považuje za polovodič, zatímco materiály s většími pásovými mezerami jsou izolanty. V polovodiči se zaplněný pás pod Fermiho hladinou nazývá valenční pás a prázdný pás nad Fermiho hladinou se nazývá vodivostní pás.
Přivede-li se do polovodiče dostatečné množství energie, může elektron postoupit z valenčního pásu do vodivostního pásu; tím také vznikne díra ve valenčním pásu. Elektron povýšený do vodivostního pásu a/nebo díra ponechaná ve valenčním pásu mohou být delokalizovány napříč krystalem, což vede k elektronické vodivosti. Velikost vodivosti je silně závislá na energii dodané polovodiči. Z tohoto důvodu se vodivost polovodiče zvyšuje s rostoucí teplotou.
Chemie polovodičů
Vlastnosti polovodiče jsou určeny prvkovým složením materiálu, jeho strukturou a přítomností případných nečistot. Nečistoty, běžně označované jako dopanty, přidávají polovodiči vnější vlastnosti ve srovnání s vlastnostmi vlastními samotnému čistému materiálu.
Vnitřní polovodiče. U čtrnácti prvků skupiny uhlíku, křemíku, germania a cínu lze nalézt krystalovou strukturu diamantového typu znázorněnou na obrázku 3a. Vyskytují se i jiné krystalové struktury; například grafit a diamant jsou různé krystalové struktury téhož prvku, uhlíku. Vzhledem ke své velikosti a orbitálním energiím tvoří uhlík velmi
silné vazby, takže mezi vazebnými a antivazebnými pásy v diamantu je velké energetické oddělení. To má za následek velkou pásmovou mezeru 6,0 eV, takže diamant je izolant. Naproti tomu vazby mezi těžšími prvky (křemík, germanium a cín) nejsou tak silné, takže pásová mezera klesá směrem dolů po sloupci periodické tabulky: křemík 1,1 eV, germanium 0,7 eV a šedý cín 0,1 eV. Při teplotách nižších než 13 °C navíc cín prochází krystalovou přestavbou na strukturu bílého cínu, který nemá žádnou pásmovou mezeru, protože je kovový.
Složené polovodiče se skládají z více než jednoho prvku a poskytují možnost chemicky vyladit velikost pásmové mezery. Typické složené polovodiče budou kombinovat prvky ze třinácté a patnácté skupiny periodické tabulky. Tyto složené polovodiče mají také krystalovou strukturu diamantového typu, ale se střídáním typů atomů v krystalové síti (obrázek 3b). Kombinací prvků se třemi a pěti valenčními elektrony (například hliníku a fosforu) – v průměru čtyři elektrony na atom – se získá materiál s vlastnostmi podobnými křemíku se čtyřmi valenčními elektrony. Protože však orbitaly fosforu mají nižší energii a orbitaly hliníku vyšší energii než křemík, je u složeného polovodiče AlP pozorována větší pásmová mezera (3,0 eV). Kombinací těžších prvků galia a arsenu vznikne arsenid galia (GaAs) s pásmovou mezerou 1,4 eV. Podobná chemie je možná kombinací prvků dvanácté a šestnácté skupiny, čímž například vzniknou polovodiče sulfid zinečnatý (ZnS) a selenid kademnatý (CdSe) s pásmovými mezerami 3,8 eV, resp. 1,8 eV.
Dopanty v polovodičích. Čistota polovodičů elektronické kvality musí být vyšší než 99,999 %. Řízením množství a typu příměsí však lze doladit vlastnosti polovodiče. Například přidáním příměsi fosforu (s pěti valenčními elektrony) ke křemíku (se čtyřmi valenčními elektrony) se efektivně přidá jeden elektron navíc za každý atom fosforu přidaný do krystalu. Fosfor je tedy donorem křemíku. Atomy dopantu fosforu vytlačí atomy křemíku v krystalu, ale celková krystalová struktura se nezmění, stejně jako pásová struktura. Další elektron však musí přejít do vodivostního pásu, protože valenční pás byl již plný. Vznikne tak polovodič typu n. Naopak dopování křemíku hliníkem poskytuje o jeden elektron méně, takže na každý přidaný atom hliníku připadá ve valenčním pásu jedna díra. Hliník je tedy akceptorem křemíku. Po ztrátě elektronů nesou díry kladný náboj a vytvářejí polovodič typu p. Protože energetická mezera mezi donorovými hladinami a vodivostním pásem (En) nebo mezi akceptorovými hladinami a valenčním pásem (Ep) je velmi malá, budou tyto dopované polovodiče vykazovat větší vodivost a mnohem menší teplotní závislost, než je tomu u vlastního polovodiče.
Přechod P-N. Fermiho hladina polovodiče typu p je energeticky nižší než Fermiho hladina polovodiče typu n. Při spojení polovodičů typu p – a n – vzniká kombinací děr a elektronů na rozhraní společná Fermiho hladina. V této depleční zóně na přechodu nejsou přítomny žádné nosiče. Když se na stranu p -typu přechodu p-n přiloží kladné napětí a na stranu n -typu záporné napětí, může protékat proud, protože kladné napětí tlačí díry směrem k
záporné katodě a záporné napětí tlačí volné elektrony směrem ke kladné anodě. Naproti tomu zapojení baterie v opačném směru zvětší velikost vyčerpávací zóny, protože záporné napětí připojené k p -straně přechodu přitáhne více děr k této elektrodě a kladné napětí připojené k polovodiči typu n přitáhne elektrony k elektrodě a od přechodu, čímž vznikne větší vyčerpávací zóna. V důsledku toho zde nejsou žádné volné nosiče a nemůže protékat žádný proud. Tento p-n přechod tak tvoří nejjednodušší polovodičové zařízení, známé jako dioda.
Diody. Diody jsou v podstatě jednosměrné ventily pro elektronickou vodivost. Takové zařízení je velmi důležité v napájecím zdroji, který převádí střídavý proud na stejnosměrný, což je nezbytné pro mnoho elektronických zařízení. Připojení jedné diody do střídavého elektrického obvodu zablokuje buď kladný, nebo záporný výkyv napětí, což se popisuje jako poloviční usměrnění. Připojením čtyř diod (jak je znázorněno na obrázku 6) se dosáhne usměrnění s plnou vlnou, které převádí střídavý proud na stejnosměrný. Přidání kondenzátorů do tohoto obvodu vyhladí kolísání napětí pro skutečný provoz zařízení.
Při průchodu elektrického proudu jakýmkoli p-n přechodem mohou elektrony procházející vodivostním pásmem nebo díry procházející valenčním pásmem rekombinovat s dírami, resp. elektrony přes pásmovou mezeru. K této rekombinaci dochází především u elektronů, které byly vnějším napětím zatlačeny do p-oblasti diody, a u děr, které byly vnějším napětím zatlačeny do n-oblasti diody. Při rekombinaci elektronů a děr přes pásmovou mezeru se uvolňuje energie, často ve formě fotonu s energií rovnou energii pásmové mezery. Polovodiče s pásmovou mezerou mezi 1,8 eV a 3,1 eV vyzařují fotony viditelného světla (červené až fialové ). Tyto diody se označují jako LED. Ve skutečnosti všechny diody vyzařují světlo, ale většina z nich má pásmovou mezeru menší, než je energie viditelného fotonu.
V důsledku toho většina diod vyzařuje infračervené fotony. Taková infračervená emise se používá pro signalizaci v mnoha zařízeních dálkového ovládání.
Tranzistory. Tranzistory jsou polovodičová spínací a zesilovací zařízení a právě jejich vynález v roce 1947 skutečně odstartoval revoluci v elektronice na konci dvacátého století. Bipolární tranzistor typu n-p-n vzniká spojením polovodičů typu n na obou stranách tenkého polovodiče typu p. Tranzistory typu n-p-n a p-p-n se skládají ze dvou částí. Jak je znázorněno na obrázku 7, tranzistor funguje jako spínač pro obvod připojený k napájecímu zdroji 10 V. Pokud se na bázi (kontakt B) přivede malé záporné napětí, odstraní se z polovodiče typu p díry a vytvoří se izolační bariéra. Jedná se o stejný proces, jako když se snažíte protlačit proud špatným směrem přes dva p-n přechody. Výsledkem je, že mezi žádným z kontaktů nepoteče proud. Pokud však na kontakt báze přivedeme malé kladné napětí, bude řídicí smyčkou protékat určitý proud (elektrony jdou z emitoru do báze). Protože napětí přivedené mezi emitor (kontakt E) a kolektor (kontakt C) je mnohem větší než napětí na bázi, projde tenkou vrstvou typu p mnohem větší část elektronů, čímž vznikne mnohem větší kolektorový proud.
Jak bylo popsáno výše, tranzistor funguje jako jednoduché zapínací/vypínací zařízení v závislosti na znaménku napětí přivedeného na bázi a emitor. Protože proud báze je malý a proud kolektoru velký, lze stejné polovodičové zařízení použít také jako zesilovač signálu. Poměr kolektorového proudu k proudu báze je pro dané zařízení v podstatě konstantní. Protože proud báze je úměrný napětí báze-emitor (napětí mezi B a E) a proud kolektoru je úměrný napětí emitor-kolektor (napětí mezi E a C), bude malé kmitání napětí přiváděného například z mikrofonu do smyčky BE
zesíleno na velké kmitání napětí ve smyčce EC, které pak může být připojeno k reproduktoru.
Přestože lze z různých kombinací polovodičů vyrobit mnoho různých polovodičových zařízení, je činnost zařízení silně závislá na chemickém složení prvků tvořících polovodiče. Vazba mezi prvky tvořícími polovodiče určuje strukturu elektronického pásu a velikost pásmové mezery. Počet valenčních elektronů určuje zaplnění těchto pásů, a tím i elektronické vlastnosti. Pokračující výzkumné úsilí směřuje k objevování nových polovodičů s novými možnostmi využití. Kromě toho je vynakládáno rozsáhlé úsilí na konstrukci stále menších zařízení s cílem přejít od polovodičových zařízení (založených na krystalických materiálech) k zařízením s jednou molekulou.
James D. Martin
Bibliografie
Campbell, Dean J.; Lorenz, Julie K.; Ellis, Arthur B.; Kuech, Thomas F.; Lisensky, George; Whittingham, C.; and Stanley, M. (1998). “Počítač jako měřítko materiálových věd”. Journal of Chemical Education 75:297-312.
Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; and Robinson, William R. (1993). Výuka obecné chemie: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.