Polovodiče

V elektronice často pracujeme se součástkami jako odpor, cívka nebo kondenzátor. Všechny tyto prvky vedou elektrický proud skrz materiály, které označujeme jako vodiče. Když na ně přiložíme napětí, začne jimi téct proud úměrně daným vlastnostem. Volt-Ampérová charakteristika je linérní.

Pak jsou tu součástky, které vedou proud pouze za určitých podmínek. Jejich klíčovým materiálem jsou polovodiče, látky, které se svou vodivostí nachází někde mezi vodiči a izolanty. Abychom pochopili jejich chování, musíme se podívat na strukturu hmoty.

Valenční elektrony a vodivost

Elektrony v atomech se nacházejí na různých energetických hladinách – orbitalech. Nejvzdálenější z nich, tzv. valenční elektrony, se podílejí na vazbách mezi atomy. U vodičů nejsou tyto elektrony pevně vázány, a proto se mohou volně pohybovat. U izolantů jsou naopak silně vázány a zůstávají na svých místech i při působení vnější energie, jako je elektrické pole, světlo nebo teplo.

Polovodiče se nachází mezi těmito dvěma extrémy. Typickým příkladem je křemík, který má čtyři valenční elektrony. Tyto elektrony vytvářejí stabilní vazby s okolními atomy křemíku, čímž vzniká pravidelná krystalická mřížka. Při velmi nízkých teplotách takový materiál nevede proud. Pokud však dodáme energii, typicky teplo, některé elektrony opustí své pozice a polovodič je schopen částečně vést elektrický proud.

Dotování polovodičů

Aby byla vodivost polovodiče prakticky využitelná, je potřeba ji zvýšit tzv. dotováním. Do krystalu křemíku se přidávají atomy jiných prvků:

• s pěti valenčními elektrony (např. fosfor) – vzniká N-typ: volný elektron se může volně pohybovat
• se třemi valenčními elektrony (např. indium) – vzniká P-typ: v mřížce vzniká tzv. „díra“, tedy místo po chybějícím elektronu

To že jeden polovodič obsahuje atom s více nebo méně elektrony neznamená, že by byl elektricky nabitý. Oba typy dotovaných polovodičů jsou elektricky neutrální, protože dotované atomy mají adekvátně s množstvím elektronů menší nebo větší množství protonů.

Přechod PN

Když spojíme polovodiče typu P a N, přebývající elektrony v N-typu jsou přitahovány ke kladným dírám v P-typu. Jakmile se setkají, rekombinují, elektron zaplní díru a přestanou být volným nosičem náboje. V okolí spojení tak vznikne oblast bez volných elektronů a děr, proto oblast sama o sobě neumožňuje vést proud. Navíc v této oblasti zůstávají po rekombinovaných volných nosičích nabité ionty atomů (záporné v P-typu, kladné v N-typu), které vytvoří vlastní elektrické pole. To pole působí proti pohybu dalších elektronů a děr, takže spoj PN se chová jako elektrická bariéra, která bez vnějšího napětí brání průchodu proudu.

Když na P-typ (anodu) připojíme kladný pól baterie a na N-typ (katodu) záporný pól, vnější napětí zatlačí volné nosiče náboje k přechodu. Elektrická bariéra, která v klidovém stavu bránila průchodu, se tím zúží. Jakmile napětí dosáhne přibližně 0,7 V (u křemíku), bariéra je natolik potlačená, že elektrony a díry mohou snadno přecházet přes spoj. 

Když polaritu baterie otočíme, vnější napětí odtáhne elektrony a díry od přechodu. Bariéra se naopak zvětší a oblast bez volných nosičů se rozšíří. V takovém stavu PN přechod vede jen nepatrný závěrný proud způsobený menšinovými nosiči (vzniklými například teplem). Proud je tak malý, že PN přechod pro běžné účely „nevede“. A PN přechod je součástka, které říkáme Dioda.

Volt-Ampérová charakteristika diody

Dioda se chová jinak než běžné součástky. V propustném směru, zapojení + baterie na anodu, proud teče až po překonání prahového napětí (cca 0,7 V). V závěrném směru: proud je téměř nulový až do určité hranice, kdy dojde k poškození diody.