Vlastní polovodiče

Vlastní polovodič je polovodič neobsahující žádné příměsi.

Mohou se ale v jeho struktuře objevit nějaké nečistoty, ale ty nebudeme v dalším výkladu uvažovat.

Nejvýznamnějším materiálem pro výrobu polovodičových součástek je čistý monokrystalický křemík. Atom křemíku má 14 elektronů, z nichž je 10 pevně vázáno k jádru a zbývající 4 vytvářejí elektronové vazebné dvojice se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce. Křemík krystalizuje v diamantové struktuře, tj. plošně centrovaná kubická soustava. Na uvolnění elektronu z této kovalentní vazby je zapotřebí energie, která překoná vazebnou energii . Tuto energii musí elektron získat najednou a jsou tyto možnosti jejího získání:

1. tepelná excitace - kladné ionty krystalové mřížky neustále kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Díky tomuto pohybu může elektron získat energii, která stačí na překonání energie vazebné. Při pokojových teplotách () je energie tepelných kmitů a uvolňuje se tedy tímto způsobem velice málo elektronů. S rostoucí teplotou se jejich počet ale zvětšuje.

2. světelná excitace (vnitřní fotoefekt) - elektron může energii získat dopadem elektromagnetického záření (a tedy i světla). Záření má energii, která je přímo úměrná jeho frekvenci. Energie viditelného světla se pohybuje v rozmezí .

Viditelné světlo tedy může způsobit excitaci elektronu resp. jeho vytržení z krystalické mříže atomu.

3. excitace silným elektrickým polem - při pokojových teplotách nepřipadá tento způsob excitace v úvahu, neboť by byla nutná elektrická intenzita takové velikosti, která by daný materiál zničila (nastal by tzv. elektrický průraz materiálu).

Dojde-li k uvolnění elektronu (), začne se pohybovat krystalem. Na jeho místě vzniká prázdné místo, které má kladný náboj a které se může v krystalu také pohybovat. Tato kvazičástice (objekt, který se chová skoro jako částice) se nazývá díra (). Pohyb díry se děje v krystalu tak, že na chybějící místo po uvolněném elektronu se dostane jiný elektron a díra tedy vznikne jinde.

… tak se vlastně díra přesunula na jiné místo krystalu.

Proces vzniku páru elektron - díra se nazývá generace. Ke generaci je nutno dodat energii.

Tuto energii lze dodat jedním z výše uvedených způsobů.

Obr. 77

Struktura polovodiče bude zakreslována pouze v rovině tak, jak ukazuje obr. 77. Ve skutečnosti se jedná pochopitelně o trojrozměrný útvar.

Dojde-li k setkání elektronu a díry, ztrácí elektron část své energie a zapojuje se opět do vazebné dvojice. Tomuto procesu se říká rekombinace. Při rekombinaci se uvolňuje energie. V polovodiči se při stálé teplotě udržuje dynamická rovnováha mezi generací a rekombinací.

Zapojíme-li polovodič do elektrického obvodu, vzniká v něm elektrické pole, které způsobuje upořádaný pohyb děr ve směru elektrické intenzity a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný elektrický proud v polovodiči je součtem proudu elektronového a děrového: . Hustota elektronů se s rostoucí teplotou zvětšuje, proto měrný elektrický odpor klesá na rozdíl od kovů, kde je hustota volných elektronů konstantní a měrný odpor se s rostoucí teplotou zvětšuje. V kovech totiž nedochází k uvolňování dalších elektronů z vazeb mříže.

Právě popsaný typ elektrické vodivosti se nazývá vlastní vodivost.

Vlastní proto, že do struktury polovodiče nebyla přidána žádná příměs.