Základem veškeré digitální techniky je schopnost ovládat tok elektronů. K tomu využíváme polovodiče (nejčastěji křemík), které díky procesu zvanému dopování a vytvoření P-N přechodu umožňují vznik základních součástek, jako jsou diody a tranzistory.

Polovodiče (např. křemík – Si, germanium – Ge) mají ve své krystalové mřížce čtyři valenční elektrony. V čistém stavu za nízkých teplot se chovají jako izolanty. Abychom je mohli využít v elektronice, musíme jejich vlastnosti změnit přidáním malého množství příměsí (jiných prvků). Tento proces se nazývá dopování.

Do křemíku se přidá prvek s pěti valenčními elektrony (např. fosfor). Čtyři elektrony se zapojí do vazby a pátý zůstane volný.

• Hlavní nosiče náboje: Volné elektrony (záporný náboj).

Do křemíku se přidá prvek se třemi valenčními elektrony (např. bór). Chybějící elektron vytvoří prázdné místo, kterému říkáme díra.

• Hlavní nosiče náboje: „Díry“ (chovají se jako kladný náboj).

—

Když spojíme polovodič typu P a typu N, vznikne na jejich rozhraní P-N přechod. V tomto bodě se začnou dít zásadní fyzikální procesy:

• Difuze a rekombinace: Elektrony z oblasti N se snaží zaplnit díry v oblasti P.
• Oblast prostorového náboje (Depletion zone): Na rozhraní vznikne tenká vrstva bez volných nosičů náboje, která funguje jako izolant. Vznikne zde vnitřní elektrické pole.

—

P-N přechod funguje jako jednosměrný ventil pro elektrický proud.

Kladný pól zdroje připojíme k typu P, záporný k typu N. Elektrické pole zdroje „tlačí“ nosiče náboje proti sobě, oblast bez náboje se zmenší a proud začne protékat.

Kladný pól připojíme k typu N, záporný k typu P. Nosiče náboje jsou od rozhraní odtahovány, oblast bez náboje se zvětšuje a proud neprotéká.

—

Schopnost P-N přechodu propouštět proud pouze jedním směrem vedla k revolučním vynálezům:

• Dioda: Základní součástka, která usměrňuje střídavý proud na stejnosměrný.
• LED (Light Emitting Diode): Při rekombinaci elektronu s dírou na P-N přechodu se uvolňuje energie ve formě světla.
• Fotovoltaický článek: Světlo (fotony) dopadající na P-N přechod dokáže vyrazit elektrony a vytvořit elektrický proud.
• Tranzistor: Kombinací dvou přechodů (např. N-P-N) vzniká součástka schopná spínat a zesilovat signály.

—

S narůstající miniaturizací naráží klasický křemík na své limity (přehřívání, kvantové jevy). Věda se proto zaměřuje na nové materiály:

• Karbid křemíku (SiC): Pro vysokovýkonnou elektroniku (elektromobily).
• Nitrid galia (GaN): Pro extrémně rychlé nabíječky a 5G sítě.
• Grafen: Naděje pro budoucí procesory pracující na frekvencích v řádech THz.

Související články:

• Tranzistor jako spínač
• Digitální logika
• Výroba procesorů

Tagy: hw physics semiconductors electronics silicon p-n-junction