Moderní technologie se neobejde bez polovodičů, které pohánějí vše od počítačů a mobilních telefonů až po solární panely a elektromobily. Jak však polovodiče fungují a proč jsou tak důležitou součástí moderních zařízení? Abychom se důkladně seznámili s jejich funkčností, budeme v tomto článku studovat principy polovodičové technologie a odpovídat na některé související otázky.
Polovodiče jsou látky se zvláštními elektrickými vlastnostmi, které jsou často vyrobeny z křemíku nebo germania. Polovodiče mají úroveň vodivosti, která leží uprostřed mezi dvěma extrémy, na rozdíl od izolantů, jako je guma nebo sklo, nebo vodičů, jako jsou kovy. Mají schopnost řídit tok elektrického proudu, což je předurčuje k nejrůznějšímu použití.
Pásmová mezera je jednou ze základních myšlenek polovodičové technologie. Energetický rozdíl mezi valenčním pásem, v němž jsou elektrony, a vodivostním pásem, který je prázdný, se nazývá pásmová mezera. Pokud je pásmová mezera v izolantu velká, musí elektrony vynaložit velké množství energie, aby se přesunuly z valenčního pásu do vodivostního pásu. Naopak vodiče nemají absolutně žádnou pásmovou mezeru a umožňují elektronům volný pohyb.
Naproti tomu polovodiče mají úzkou pásmovou mezeru. To znamená, že určité elektrony mají při okolní teplotě potřebnou energii k přechodu z valenčního pásu do vodivostního pásu, čímž vznikají pohyblivé nosiče náboje. Tyto pohyblivé nosiče náboje, někdy označované jako elektrony nebo díry (protože ve valenčním pásu není žádný elektron), dodávají polovodičům jejich vodivost.
Chování pohyblivých nosičů náboje lze regulovat přivedením napětí na polovodičový materiál. Toho se dosahuje procesem dopování, při kterém se do polovodičové mřížky zavádějí nečistoty. Dopování je záměrné přidávání dalších prvků v nepatrném množství za účelem změny elektrických vlastností polovodiče.
Dopování typu N a p jsou dva oblíbené typy. Pokud se při dopování n-typu používají látky jako fosfor nebo arsen, přidávají se do struktury polovodiče další elektrony. Výsledkem je příliš mnoho záporných nosičů náboje, což zvyšuje vodivost materiálu. Naproti tomu při dopování typu p se přidávají látky jako gallium nebo bór, které v mřížce polovodiče zanechávají díry. Výsledkem je příliš mnoho kladných nosičů náboje.
Oblasti n-typu a p-typu lze strategicky kombinovat a vytvořit polovodičové zařízení zvané dioda. Dioda je zařízení, které umožňuje průchod proudu jedním směrem a zároveň ho blokuje ve směru druhém. Díky své schopnosti řídit a regulovat elektrický proud je tato vlastnost nezbytná v mnoha elektrických obvodech.
Integrované obvody (IC), jiný název pro polovodičové čipy, jsou nezbytnou součástí současné technologie. Tranzistory, rezistory a kondenzátory, které se v těchto malých čipech nacházejí, jsou vzájemně propojeny a tvoří různá polovodičová zařízení. Zejména tranzistory fungují jako spínače, které regulují tok elektrického proudu, a jsou tak základními součástmi digitálních obvodů.
1. Výpočetní technika a elektronika: Polovodiče jsou mozkem paměťových čipů, procesorů a dalších elektronických zařízení. Díky zmenšování a integraci polovodičových součástek se dnes spoléháme na širokou škálu robustních a malých přístrojů. 2. Obnovitelná energie: Polovodiče mají zásadní význam zejména pro solární články v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Prostřednictvím fotovoltaického efektu způsobuje sluneční světlo, že polovodičový materiál, jako je křemík, při dopadu na něj vede elektrický proud. Díky schopnosti přeměňovat sluneční světlo na elektřinu se solární energie stává praktičtějším a udržitelnějším zdrojem energie. 3. Komunikace a telekomunikace: Polovodiče jsou základními součástmi satelitní komunikace, bezdrátových sítí a komunikačních systémů mobilních telefonů. Efektivní zpracování a přenos signálů, které umožňují polovodičová zařízení, podporuje komunikaci a propojení v celosvětovém měřítku.
V důsledku svých charakteristických elektrických vlastností jsou polovodiče látky, které mohou regulovat pohyb elektrického proudu. Polovodiče lze přizpůsobit různým elektronickým požadavkům úpravou pásmové mezery a přidáním určitých příměsí. Polovodiče mají širokou škálu využití a jsou nezbytné pro naši stále více propojenou společnost, od komunikačních systémů po počítače a obnovitelné zdroje energie.
Díky svým charakteristickým elektrickým vlastnostem mají polovodiče široké využití v mnoha různých odvětvích a aplikacích. Zde jsou čtyři typické aplikace polovodičů: Elektronika a integrované obvody: Základem současné elektroniky je polovodičová technologie. Používají se při výrobě integrovaných obvodů (IC), které dodávají elektrickou energii elektronickým zařízením včetně počítačů, chytrých telefonů, televizorů a dalších přístrojů. Integrované obvody (IC) jsou v podstatě skupiny vzájemně propojených tranzistorů, diod a rezistorů, které umožňují řízení a úpravu elektrických signálů. Výroba solárních článků, které přeměňují sluneční světlo na elektřinu, je do značné míry závislá na polovodičích. Nejpoužívanějším polovodičem v solárních článcích je křemík. Když světlo dopadá na křemík, excituje elektrony, čímž vzniká elektrický proud. Při hledání ekologicky šetrné a udržitelné výroby energie je tento obnovitelný zdroj energie stále důležitější.
3. Světelné diody (LED): LED diody jsou polovodiče, které produkují světlo, když jimi protéká elektrický proud. Indikátory, zobrazovací panely, osvětlení pro automobily a svítidla jsou jen některé z možností jejich využití. LED diody jsou oblíbenou volbou pro různé osvětlovací aplikace, protože jsou energeticky úsporné, odolné a dodávají se v různých barvách. 4. Tranzistory a mikroprocesory: Polovodičové materiály se ve velké míře používají ke konstrukci tranzistorů, které jsou základními stavebními prvky elektronických obvodů. Elektronická zařízení se sofistikovanou funkčností lze vyrobit zesilováním a přepínáním elektronických impulsů pomocí tranzistorů. Počítače a další digitální zařízení jsou poháněny mikroprocesory, které se skládají z milionů nebo dokonce miliard tranzistorů, které jsou všechny zabaleny do jednoho čipu.
Toto je jen hrstka z mnoha aplikací polovodičů. Díky své přizpůsobivosti a nastavitelným elektrickým vlastnostem jsou nezbytnými součástkami v různých technologiích a průmyslových odvětvích.