21. októbra 2021
Polovodič

Polovodič

Akčné intro

Polovodič. Každý jeden z nás to slovo už niekde počul. Všetci si buď pamätáme alebo rýchlo dáme dokopy predstavu materiálu, ktorý je vlastnosťami kdesi medzi kovom, ktorý prúd vedie a izolantom, ktorý prúd nevedie. Odkiaľ sa táto ich nerozhodná vlastnosť vlastne berie? Čo je na nich také kúzelné? O koľko je náš svet s nimi pestrejší?

Kovy si ľudia obľúbili z praktických príčin. Pri istých nevšedných podmienkach (vyššej teplote) sa dajú dobre tvarovať a pri všedných podmienkach si potom dobre držia svoj tvar. Pekným príkladom sú také koľajnice: najprv ich vytvarujeme a potom sa nemenia. Ďalšia vynikajúca schopnosť kovov tkvie v tom, že dokážu viesť elektrický prúd. A tam, kde je elektrický prúd, vie byť aj svetlo a teplo a tým pádom dostávame z kovu technologicky neodolateľnú vec.

Okej, v uliciach, domoch a všade možne máme elektrický prúd. Mať k dispozícii elektrický prúd je skvelé, no čo ak by sme mali niečo, čo ho dokáže zastavovať a púšťať presne vtedy a presne tam, kam ho chceme a potrebujeme? Mechanické vypínače sú na tento účel pomalé a ťažkopádne. Neexistuje materiál, ktorý dokáže prúd viesť aj neviesť? Ďalšia vec: bežné žiarovky s kovovými vláknami vedia vyrobiť svetlo, no bežne k tomu vyrábajú aj veľa tepla, čo je po prvé nebezpečné a po druhé plytvanie. Nedalo by sa vyrábať svetlo bez zbytočného ohrievania? Toto je dlhý zoznam požiadaviek! A samozrejme, tiež by takýto materiál nebol užitočný, ak by sa nedal vyrobiť v priemyselnom množstve za dobrú cenu a ak by nebol dostatočne stabilný.

Ak sa ešte niekomu nerozsvietila žiarovka, áno, polovodiče spĺňajú všetky tieto požiadavky. Či sú užitočné? Už len schopnosť vypínať a zapínať možnosť viesť prúd stojí za základom moderných počítačov. Vďaka nim vzdialenosť prakticky nepredstavuje komunikačnú bariéru. Vďaka nim máme vo vrecku viac výpočtového výkonu a pamäti, ako NASA v čase prvých kozmických letov. (Žiaľ, naše činy s nimi už nie sú vždy tak vznešené.)

Fyzika (konečne)

Po výdatnej reklame skúsme v krátkosti povedať, v čom je vlastne tajomstvo polovodičov skryté. Čitateľ, ktorý to zo súcitu k autorovi zvládol až sem, sa naozaj nemusí báť. Nie je to nič ťažké a ani matika sa tu neobjaví. (Kto chce, nech príde študovať tzv. tuhé látky k nám do Bratislavy a my mu radi všetko vysvetlíme, je za tým predsa celá veda.)

Kvantová mechanika a štatistická fyzika

Vďaka kvantovej mechanike rozumieme tomu, že v materiáloch existujú hodnoty energií, ktoré v nich elektrón mať môže (sú dovolené), ako aj také, ktoré mať nemôže (sú zakázané). Vďaka štatistickej fyzike zas vieme, že elektróny v týchto látkach obsadzujú dovolené energetické hladiny podobne, ako ľudia miesta v električke – pekne jeden po druhom, každý si chce obsadiť to najlepšie miesto. Na to, aby sme v materiáli vedeli viesť prúd, potrebujeme elektróny dostať v rámci povolených stavov z takých, ktoré prúd nevedú (ich celková hybnosť je nulová), do takých, ktoré áno. Väčšina ľudí v takejto električke sedí, presúva len pár pasažierov.

Kovy sú vecičky, ktoré toto dokážu za bežných podmienok hocikedy, majú nachystané pohyblivé elektróny. V izolantoch však naopak všetky elektróny sedia. Aj tie sa dajú presvedčiť, no musíme vynaložiť enormné množstvo energie; viac, ako je pri bežných teplotách dostupné. Izolanty teda za bežných podmienok prúd nevedú, ako ich názov napovedá – izolujú ho.

Jednou z dobrých vlastností polovodičov je, že oni sú to vlastne izolanty. Ak teda nespravíme nič, darmo od nich čakáme vedenie prúdu. No na rozdiel od bežných izolantov, na to, aby sme od polovodičov vedenie prúdu dostali, stačí spraviť úplne máličko: polovodičový materiál stačí dopovať. (V tomto kontexte je úplne legálne pridať do kremíka (Si) prímesi, teda iné prvky ako fosfor alebo bór.) Prímesi majú buď o jeden elektrón viac (a ten obsadí energetickú hladinu, ktorá už prúd viesť dokáže) alebo o elektrón menej (a takýto chýbajúci elektrón vytvorí v energetickej hladine prázdny stav, takzvanú dieru, ktorý tiež vie prenášať náboj). Pecka!

Svetlo v klasických žiarovkach pochádza zo zrážky elektrónu, ktorý cez ňu vedie prúd, s mriežkou materiálu, ktorý tvorí jej vlákno. Pri ťažko kontrolovateľnej zrážke vznikne veľa fotónov. Niektoré s vlnovou dĺžkou zodpovedajúce viditeľnému svetlu, spolu s nimi však veľa fotónov s vlnovou dĺžkou v infračervenom spektre (teplo). Pri polovodičových svetelných diódach pochádza svetlo z procesu, pri ktorom vodivostný elektrón zaplní nejakú dieru na nižšej energetickej hladine. Pri takomto zostupe energetickym rebríkom dolu sa vyžiari fotón s vlnovou dĺžkou, ktorá je vo viditeľnom spektre s minimálnymi tepelnými stratami. Celý proces je pomerne dobre kontrolovateľný a úspornejší. Pecka!

Zaujímavá vec sa stane, ak takto nadopované zmesi naskladáme v správnom poradí a na správne miesto privedieme napätie. Voilà, zrazu dostávame čarovnú krabičku, ktorou dokážeme spínať pomerne veľké prúdy vo veľmi krátkom čase. Pecka? Nie, niečo lepšie, tranzistor! Elektrické vypínanie a zapínanie elektrického prúdu. Celý vtip je v nasledovnej veci. Množstvo voľného náboja, ktorý dokáže v polovodičoch viesť prúd, je pri izbových teplotách závislé iba od toho, koľko máme v materiáli prímesí a nie od teploty samotnej. Stály počet nosičov náboja znamená vysokú stabilitu polovodičových súčiastok aj pri pomerne veľkých teplotných výkyvoch. Pecka!

Hojnosť a Záver

Ukázalo sa, že na našej planéte je pomerne hojné zastúpenie prvkov (kremík, fosfor, germánium, …) vhodných pre polovodičové technológie. Kvôli lepšej predstave si spomeňme, že kremíku je veľa napríklad v piesku. To je tiež pecka, inak by bolo všetko vyrobené na polovodičovej báze neuveriteľne drahé. Nuž, ako sa hovorí, nie každé zlato sa blyští.

[Fero]

Pridaj komentár