Polovodič typu p: definice a princip fungování (křemík, bór)

Polovodič typu p: stručná definice a srozumitelný popis principu fungování, role křemíku a bóru, akceptorových příměsí a praktického použití v elektronice.

Polovodič typu p je speciální druh polovodiče, který vzniká tím, že do čistého polovodiče (např. křemíku nebo germania) přidáme malý podíl trojmocné příměsi. Tyto trojmocné prvky – tzv. akceptorové příměsi (např. bór, galium, indium, hliník) – mají ve vnější elektronové vrstvě pouze tři elektrony, zatímco atomy křemíku mají čtyři. Počtem přidaných příměsí se řídí elektrické vlastnosti výsledného materiálu.

Princip vzniku děr a vedení proudu

Vlastní (čistý) polovodič je materiál mezi vodiči a izolanty: při pokojové teplotě vede proud slabě, protože vázané elektrony se mohou částečně uvolnit do vodivostního pásu. Elektrický proud v polovodičích je způsoben pohybem nabitých částic — elektronů a děr. Elektron, který se uvolní z vazby, může opustit místo vázaného páru; toto „volné místo“ v mřížce chování elektronů nazýváme díra (hole). V polovodiči typu p je počet děr výrazně větší než počet volných elektronů, a právě díry jsou zde hlavními (majoritními) nosiči náboje.

Dopování křemíku trojmocnými příměsemi

U křemíku se běžně používají jako akceptory prvky jako bór nebo hliník. Jestliže atom boru nahradí v krystalu jeden atom křemíku, vytvoří se místo, kde chybí jeden elektron pro kompletní kovalentní vazbu – vznikne díra. Akceptorové atomy mohou zachytit elektron z valenčního pásu a tím se stanou nabitými záporně (ionizované akceptory), zatímco v krystalu zůstává volná díra, která se může „přesouvat“ tím, že sousední elektrony zaplní prázdné vazby. Tento pohyb děr představuje proud kladného směru (konvenční směr proudu).

Energetické hledisko a ionizace

Akceptorová příměs vytváří v zakázaném pásu polovodiče hladinu blízko valenčního pásu (tzv. akceptorová hladina). Energie potřebná k uvolnění elektronu z valenčního pásu na tuto hladinu (nebo k ionizaci akceptoru) je obvykle malá – pro bór v křemíku je typická energie řádově desítky meV (přibližně 0,04–0,05 eV). To znamená, že při pokojové teplotě jsou většina akceptorů ionizované a materiál vykazuje stabilně p-typickou vodivost.

Vlastnosti a praktické dopady

• Majoritní a minoritní nosiče: v p- typu jsou majoritní nosiče díry, minoritní elektronů je málo; to ovlivňuje chování p-n přechodů a zařízení.
• Vodivost: vodivost roste s koncentrací akceptorů; běžné koncentrace při technologickém dopování se pohybují od cca 10^13 do 10^18 cm^−3 v závislosti na požadovaných vlastnostech.
• Mobilita: pohyblivost děr je obvykle nižší než pohyblivost elektronů (v křemíku při pokojové teplotě je mobilita děr řádově nižší než elektronů), takže i při stejné koncentraci dá elektronový vodivější tok než proudu děr.
• Teplotní závislost: při velmi nízkých teplotách nemusí být všechny akceptory ionizované, takže vodivost klesá; při vyšších teplotách klesá mobilita vinou silnějšího rozptylu, ale větší počet ionizovaných nosičů často kompenzuje tento efekt.

Použití v součástkách

Polovodiče typu p jsou základním stavebním kamenem elektronických součástek: společně s n-typem tvoří p–n přechody používané v diodách, tranzistorech (bipolární i MOSFET), fotodiodech a solárních panelech. V integrovaných obvodech se vytvářejí dopované oblasti různými technologiemi (difúze, iontové implantace) tak, aby vznikly požadované funkční struktury.

Konkrétní příklad: křemík dopovaný borem

Při dopování křemíku bórem (B) probíhá substituční začlenění boru do krystalové mřížky křemíku. Bór vytvoří tři vazby s okolními atomy a v jedné vazbě zůstane díra. Běr akceptorová hladina leží blízko valenčního pásu (několik desítek meV), proto je při pokojové teplotě většina borových akceptorů ionizovaných a materiál se chová jako p-typ. Takto připravený materiál se potom používá pro tvorbu p-vrstvy v p–n přechodech nebo jako substrát/vrstva v tranzistorech a dalších polovodičových prvcích.

Shrnutí: Polovodič typu p má jako hlavní nosiče náboje díry, které vznikají dopováním čistého polovodiče trojmocnými akceptorovými příměsemi (např. bór, hliník.). Díky tomu se řadí mezi materiály s řízenou vodivostí a je nepostradatelný pro vytváření elektronických součástek.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je polovodič typu p?

Otázka: Co jsou akceptorové nečistoty?

Otázka: Z čeho se skládají běžné polovodiče?

Otázka: Jak vzniká elektrický proud v materiálu?

Otázka: Jak umožňuje polovodič typu p průchod proudu?

Otázka: Co je to křemík a jak se používá k výrobě polovodičů?

Otázka: K čemu slouží přidání trojmocné příměsi do čistého polovodiče?

Hledání podle dopisu