Polovodič

V tuhých látkach sú viazané jednotlivé atómy navzájom do kryštalickej mriežky s viac či menej rozsiahlou usporiadanosťou (monokryštály, polykryštály a amorfné látky). Na jadrá atómov sú viazané elektróny, pričom elektróny bližšie k jadru sú viazané väčšou silou než elektróny vzdialenejšie od jadra. Táto „sila“ sa vyjadruje ako väzbová energia – energia potrebná na úplné osamostatnenie daného elektrónu z látky (v grafe sa zobrazuje ako záporná, t. j. rastie smerom nadol).

Elektróny s najmenšou väzbovou energiou sa nazývajú valenčné elektróny (známe z chémie ako elektróny ktoré sa podieľajú na chemickej väzbe); ich väzbová energia vytvára v energetickom diagrame pásmo nazývané valenčné pásmo (valenčný pás, valence band – VB). Niektoré elektróny sú však schopné sa od jadra odtrhnúť a voľne sa pohybovať v látke (toto je podstatou elektrickej vodivosti látky). Tieto elektróny sú na látku viazané menej a tvoria tzv. vodivostné pásmo (vodivostný pás, conduction band – CB). Na odtrhnutie elektrónu od jeho jadra bolo potrebné vynaložiť nejakú energiu, ktorá v energetickom diagrame predstavuje medzeru medzi valenčným a vodivostným pásmom zakázané pásmo (zakázaný pás, band gap).

Šírka zakázaného pásma (E_g) určuje aj pravdepodobnosť, že sa za danej teploty dokáže odtrhnúť dostatočné množstvo elektrónov, čiže priamo určuje elektrickú vodivosť danej látky. U vodičov (zväčša kovov) je šírka zakázaného pásma nulová, valenčné a vodivostné pásmo sa prekrývajú. U nevodičov (izolantov) je šírka zakázaného pásma veľká, viac než asi 3 eV. U polovodičov je šírka zakázaného pásma medzi týmito hodnotami, typicky je okolo 1 eV.

Keď sa elektrón odtrhne od jadra – opustí valenčné pásmo a prejde do vodivostného pásma – a začne sa pohybovať v látke, ostane v okolí jadra akési voľné miesto s kladným nábojom. Do tohto miesta sa môže presunúť valenčný elektrón zo susedného atómu, pri ktorom sa takto vytvorí miesto s kladným nábojom, do ktorého môže prejsť elektrón z nasledujúceho atómu atď. – vzniká nový mechanizmus elektrickej vodivosti. Aj keď ide o pohyb elektrónov, navonok to však vyzerá, akoby sa presúval kladný elektrický náboj. Pre popis tohto javu sa zaužíval pojem diera, a javy s týmto druhom elektrickej vodivosti sa dajú popísať podobnými vzťahmi ako pre „klasickú“ elektrónovú vodivosť, ale pre kvázi-časticu s kladným nábojom a menšou pohyblivosťou.

Proces odtrhnutia elektrónu od jadra sa dá teda chápať ako vytvorenie (generácia) páru elektrón-diera.

Základným zdrojom energie vďaka ktorej prechádzajú elektróny z valenčného do vodivostného pásma je teplo (tepelné kmity kryštalickej mriežky). Zmenou teploty látky sa menia energetické vzťahy medzi pásmami a mení sa aj ich obsadenie. Toto je príčinou zmeny vodivosti polovodičov vplyvom zmeny teploty. Hrubo povedané, zvyšujúcou sa teplotou sa zväčšuje možnosť, že elektrón sa odtrhne od jadra, čiže sa zvyšuje vodivosť, zasahuje však do toho viacero vplyvov takže táto úvaha nie je presná.

Pri dopade fotónu (svetla) s dostatočnou energiou (vhodnou vlnovou dĺžkou) môže tiež dôjsť k prechodu elektrónu z valenčného do vodivostného pásma a tým zvýšiť elektrickú vodivosť. Tento jav (tzv. vnútorný fotoelektrický jav) je využitý v optoelektronických fotocitlivých prvkoch (fotodetektoroch), ako sú fotorezistor či fotodióda/fototranzistor.

Elektróny nezotrvávajú vo vodivostnom pásme donekonečna (inak by sa pôsobením tepla a svetla presunuli po nejakom čase všetky elektróny). Elektrón prejde po určitom čase do valenčného pásma a znova sa začlení do elektrónového obalu atómu (čím zanikne aj jedna diera – hovoríme o rekombinácii elektrónu a diery). Pritom elektrón odovzdá prebytočnú energiu, najčastejšie mriežke vo forme tepla.

Zvláštnym prípadom rekombinácie je, keď elektrón vyžiari prebytočnú energiu vo forme fotónu. Tento jav je využitý v LED diódach a polovodičových laseroch.

Pridaním malého množstva prímesí do polovodičov sa výrazne menia ich vlastnosti. Pridaním prvku ktorý má viac valenčných elektrónov než pôvodný polovodič – donor – sa zvyšuje pravdepodobnosť, že sa akoby „nadbytočný“ elektrón odtrhne. Podobne pri prímesi s menším počtom valenčných elektrónov – akceptor – sa ľahko vytvorí diera. Donormi sa vytvárajú polovodiče typu N a akceptormi typu P.

Dotácia N sa typicky robí prvkami s 5 elektrónmi vo valenčnej vrstve, napr. fosfor a arzén. Aby sa nenarušila pravidelnosť mriežky, najvhodnejšie sú prvky, ktoré majú podobné atómové polomery ako základný polovodič. Napr. pri kremíku je to fosfor.

Dotácia P sa obvykle robí s prvkami s 3 elektrónmi (bór, hliník, gálium, indium) vo valenčnej vrstve. Keďže majú diery menšiu pohyblivosť ako elektróny („sú pomalšie“), preto sa polovodiče P používajú čo najmenej, napr. v tranzistoroch NPN je to len tenulinký prechod medzi obidvomi N-kami. Tranzistory PNP, kde je to opačne sú pri rovnakej cene pomalšie ako NPN. Ale aj PNP majú svoje výhody, hlavne v spínacích zapojeniach.

Poruchy v pravidelnosti kryštalickej mriežky sa prejavujú podobne ako prímesové hladiny (vo všeobecnosti zvyšujú vodivosť a keďže ide o nekontrolovateľný jav, sú pri výrobe polovodičových prvkov nežiaducim javom). Pri rozsiahlejších poruchách (polykryštály a amorfné látky) sa môžu základné polovodičové vlastnosti výrazne zmeniť až úplne stratiť (takýto polovodič sa môže správať ako izolant aj ako vodič).

Poruchy na povrchu polovodičov vznikajú pri ich výrobe (rezaní, brúsení) a je im ťažšie predísť ako poruchám v objeme. Tento fakt je príčinou, prečo sa tranzistory typu MOS (kde sa podstatné javy odohrávajú na a v blízkosti povrchu polovodiča) rozšírili o niekoľko desiatok rokov neskôr ako bipolárne tranzistory (kde PN priechody sú umiestnené v objeme polovodiča).

Typické polovodiče tvorené jedným prvkom (elementárne polovodiče) sú zo IV. skupiny periodickej tabuľky prvkov:

• Kremík – E_g = 1,1 eV
• Germánium – E_g = 0,7 eV
• Uhlík – len v kryštalickej forme diamantu (nie grafitu)
• Selén – výnimka, je zo VI skupiny. V minulosti bol používaný pre usmerňovače (diódy) aj fotocitlivé prvky, ale dnes je už v elementárnej podobe technicky bezvýznamný.

Keď sa spoja atómy, kde majú elektróny rôzne potenciálové hladiny, v zlúčenine alebo zliatine (tuhej zmesi), môžu vzniknúť efekty, ktoré pri jednoduchých polovodičoch nie sú možné. Podstatné však je, aby bola zachovaná dokonalá kryštalická mriežka.

Mnohokrát sa kompozitné polovodiče vytvárajú ako tenké epitaxné vrstvy na substrátoch, ktoré sa kvôli cene vyrábajú len z niektorých druhov polovodičov – napr. Si, GaAs, GaP, InP. Vtedy je dôležité dosiahnuť mriežkové prispôsobenie nanášaného polovodiča, inak vzniknutá vrstva tzv. zrelaxuje a bude obsahovať neprípustné množstvo porúch. Pri miernom rozdiele mriežkových konštánt a veľmi tenkých vrstvách sa dá dosiahnuť stav, keď vrstva nezrelaxuje, ale ostane tzv. napätá, s inými fyzikálnymi vlastnosťami než má materiál danej vrstvy za normálnych podmienok.

Kombináciou tenkých vrstiev polovodičov s rozličnou pásmovou štruktúrou je možné dosiahnuť stav, keď sa niektorá z tenkých vrstiev stane pre elektróny alebo diery dvojrozmernou kvantovou jamou, čo má za následok prejavenie sa rôznych kvantových javov. Praktickým dôsledkom je napr. zvýšenie pohyblivosti nosičov náboja, čo umožňuje vyrobiť tranzistory s vysokou medznou pracovnou frekvenciou (tzv. HEMT).

Hlavné použitie kompozitných polovodičov je v optoelektronike – LED, lasery, fotodetektory – a v mikrovlnnej elektronike. Podľa počtu prvkov v kompozitnom polovodiči hovoríme o binárnych (2), ternárnych (3) a kvaternárnych (4) kompozitoch. Rozoznávame niekoľko skupín kompozitných polovodičov:

• Skupina IV – obidva prvky majú 4 elektróny (napr. Si_xGe_1-x, Si_xC_1-x)
• Skupina III-V – elektróny z atómov prvku piatej skupiny doplnia elektrónový obal prvku tretej skupiny a vznikne kvázi-polovodič:
  • GaAs, InGaAs, AlGaAs
  • GaP
  • InP, InGaP, InAlGaP
• Skupina II-IV – podobne ako u III-V sa vhodne dopĺňajú elektrónové obaly rôznych prvkov
  • CdS, CdSe
  • ZnS
• Oxidy prechodných prvkov
  • TiO₂
  • WO₃
  • ZnO₂

Aj pri organických materiáloch ako napr. polyméry je možné vytvoriť efekt 4 elektrónov, základ je presná štruktúra materiálu.

Pri polyméroch s sú napr všetky elektróny viazané vo väzbách. Keď však máme napr. striedavú dvojitú a jednoduchú väzbu, tak dotáciou napr. sodíkom sa dajú dvojité väzby rozbiť bez toho, aby bol tento elektrón znovu zviazaný a vznikne vodivý kanál.

Organické polovodivé materiály:

• Tetracén, Pentacén

Pred prípravou monokryštálu sa musí predovšetkým pripraviť mimoriadne čistý polovodič. Základné materiály sa pripravujú chemickými postupmi, tak sa však nedá dosiahnuť potrebná čistota, preto sa polovodiče ďalej čistia fyzikálnymi metódami. Najdôležitejšia je zónová tavba, kde sa využíva rozdielna rozpustnosť nečistôt v tavenine rozličnej teploty. Základným problémom je pritom neznečistiť roztavený polovodič od okolia (pričom ide o vysoké teploty a roztavený polovodič môže byť chemicky agresívny).

Po vyčistení základného materiálu sa vyrába monokryštál polovodiča vo forme valca s priemerom cca 50 – 300 mm:

• Bridgman-Stockbargerovou metódou
• Czochralského metódou
• Metódou VGF
• Zonálnou tavbou (kryštalizáciou).

Podstatou všetkých metód je veľmi pomalé riadené chladnutie roztaveného polovodiča postupne od jedného konca (ktorý určí orientáciu kryštalickej mriežky) po druhý. Podobne ako u fyzikálneho čistenia, aj tu je dôležité zabrániť kontaminácii.

Monokryštál sa po kontrole čistoty a kontrole orientácie mriežky (čo sa vyznačí vybrúsením plochy na povrchu valca pozdĺž jednej z kryštalografických rovín) píli (diamantovým kotúčom) na jednotlivé pláty (wafer) hrúbky 0,5 – 1 mm. Jeden povrch plátu sa brúsi, potom leští mechanicky a chemicky s následným oplachom, aby sa odstránili povrchové poruchy a nečistoty. V súčasnosti sa na takmer všetky pláty ešte nanáša tzv. epitaxná vrstva toho istého polovodiča (v hrúbke rádu 0,01 mm) postupom, ktorý zaručuje zachovanie monokryštalicity, čím sa prakticky odstránia povrchové poruchy.

Výhoda polovodičov je, že dokážu viesť veľké prúdy a majú dosť malý odpor aj pri veľkých teplotách. Spájaním polovodičov typu N a P sa dajú dosahovať efekty, aké sa pri kovoch nedajú. Najdôležitejšie na polovodičovej technike sú práve rozhrania typov P a N. Najčastejšie polovodiče sú polovodiče na báze kremíka. Sú aj najlacnejšie a na svoju cenu majú aj najlepšie vlastnosti. Nevýhodou je, že ich vlastnosti sa menia vplyvom kozmického žiarenia. Preto do vesmíru sa na dlhšie lety (Voyager, Pioneer) vyrábajú na zafírovom substráte.

Najprimitívnejší polovodičový elektrický prvok je dióda. Vyrobí sa tak že sa vhodným vnesením prímesí vytvoria prekrývajúce sa oblasti s vodivosťou typu N a P, čím vznikne prechod PN, ktorý vedie prúd len jedným smerom.

• Dióda
• Tranzistor – spínanie menších a stredných prúdov (rádovo do 10 W a 1000 A)
• Tyristor – spínanie obrovských prúdov a výkonov, napr v električkách, vlakoch alebo trolejbusoch, rádovo až 10 MW.
• IGBT – nová technológia, spája výhody tranzistorov a tyristorov

Zostaviť obvod z jednotlivých tranzistorov a diód atď. je v priemysle rádovo drahšie ako vyrobiť a osadiť jeden ekvivalentný integrovaný obvod. Preto sa jednotlivé tranzistory a diódy umiestňujú na jeden substrát, kde sa to len trochu oplatí.

Integrované obvody sa delia na analógové, ktoré spracovávajú spojité elektrické signály (napr. signál z mikrofónu rozochveného zvukom), a na digitálne (číslicové), kde sa spracovávajú údaje vo forme binárnych (dvojkových) čísel reprezentovaných dvomi napäťovými úrovňami.

Najjednoduchšie analógové integrované obvody sú:

• operačné zosilňovače
• komparátory.

Digitálne obvody sú menej náročné na presnosť technológie, čo umožňuje ich väčšiu zložitosť. Zložitejšie digitálne obvody sú napríklad mikroprocesory (CPU) mikropočítačov a signálové procesory (DSP), pamäte a podobne.

Nevýhodou integrovaných obvodov je, že musia byť vyrobené vo veľkom množstve, preto sa niekedy spájajú viaceré funkcie do jedného, alebo sa robí multifunkčná regresia, čiže aby sa aj v (aspoň blízkej) budúcnosti dal použiť na iné aplikácie. Toto núti vývojárov z konkurenčných firiem z času načas zjednotiť niektoré štandardy, napr. v komunikácii medzi čipmi.

V dnešnej dobe ale existujú programovateľné hradlové polia FPGA, ktoré tento problém vyriešili, hlavne v oblasti aplikačne špecifických obvodov ASIC.

Pri výrobe súčiastok sa používa nanášanie, leptanie, vyhladzovanie a iné. Vyžaduje perfektné riadenie kvality. Čipy sa obyčajne nespracovávajú na bežiacom páse. Obyčajne sa spracuje dávka asi 25 waferov. Na jednom waferi môžu byť stovky až desiatky tisícov integrovaných obvodov. Vo výrobe sa wafer otestuje, nareže na jednotlivé polovodičové súčiastky, zapuzdrí a otestujú sa jednotlivé finálne produkty.