Základním materiálem polovodiče je čtyřmocný prvek, například Křemík (Si) nebo Germánium (Ge).
Křemík Si (který má v jádře 14 protonů a ve třech vrstvách obíhá 14 elektronů) nemá žádné volné elektrony a v poslední valenční vrstvě (která se podílí na vazbě s okolními atomy) má čtyři elektrony.
Pokud tyto elektrony obdrží dostatečně velké množství energie zvenčí, například ve formě tepla, uvolní se a mohou vést elektrický proud prostřednictvím vlastní vodivosti.
Pro zjednodušení budeme dále kreslit jen tyto čtyři valenční elektrony a v jádrech jim odpovídající protony.
Po každém uvolněném elektronu zůstane ve vazbě prázdný prostor - díra, kterou lze také chápat jako nosič elektrického proudu s kladným nábojem - pokud přitáhne elektron ze sousedního atomu, díra "poskočí" v opačném směru proti pohybu elektronu. Pokud k polovodiči připojíme vnější napětí, uvolněné záporné elektrony jsou přitahovány ke kladnému pólu, kladné díry jsou přitahovány k zápornému pólu vnějšího napětí a polovodič může vést proud.
Pokud k čistému čtyřmocnému prvku přidáme i velmi malé množství atomů pětimocného prvku (např. Arsen), jeden z elektronů příměsi nebude pevně vázán na okolní čtyřmocné atomy křemíku a už velmi malé množství energie ho vytrhne a stane se z něj u polovodiče typu N majoritní nosič schopný vést elektrický proud prostřednictvím nevlastní vodivosti. Zbývající jádro představuje nepohyblivý kladný iont. Díry z vlastní vodivosti se pak nazývají minoritní nosiče. Příměs se nazývá Donor (dárce - daruje volný elektron).
Obdobně, pokud k čistému čtyřmocnému prvku přidáme i velmi malé množství atomů třímocného prvku (např. Indium), ve vazbě s okolními čtyřmocnými atomy křemíku bude jeden elektron chybět. Vznikla tedy díra schopná přijmout uvolněný elektron ze sousedního atomu a tak se posouvat. Díry představují u polovodiče typu P majoritní nosič schopný vést elektrický proud zase prostřednictvím nevlastní vodivosti. Zbývající jádro představuje nepohyblivý záporný iont. Elektrony z vlastní vodivosti se pak nazývají minoritní nosiče. Příměs se nazývá Akceptor (příjemce - přijímá volný elektron).
V následujících obrázcích pro jednoduchost nejsou zobrazeny atomy čistého čtyřmocného prvku ale jen atomy příměsí (akceptorů či donorů) jako nepohyblivé ionty a pohyblivé elektrony či díry.
Volné elektrony z polovodiče N v blízkosti přechodu přecházejí do prostoru polovodiče P, kde rekombinují s volnými dírami. Kolem přechodu tak vznikne vyprázdněná (hradlová) oblast, kde v polovodiči N zbyly pevné ionty s kladným potenciálem a v polovodiči P pevné ionty se záporným potenciálem. Tyto ionty vytváří difuzní napětí, které odpuzuje zbývající volné elektrony a díry.
Vnější napětí připojené se stejnou polaritou jako má difuzní napětí působí na volné nosiče tak, že kladná polarita vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony a záporná polarita vnějšího napětí u polovodiče P přitahuje díry. Tak dojde ke zvětšení vyprázdněné oblasti a tím ke zvětšení napětí tvořeného pevnými ionty odpuzujícího volné nosiče z oblasti přechodu.
Vnější napětí připojené s opačnou polaritou než má difuzní napětí působí na volné nosiče tak, že kladná polarita vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry a záporná polarita vnějšího napětí u polovodiče N odpuzuje elektrony a tlačí je směrem k přechodu. Tak dojde ke zmenšení vyprázdněné oblasti a pokud má vnější napětí větší hodnotu než difuzní napětí, tak vyprázdněná oblast vymizí a proud vnějšího obvodu může volně protékat polovodičovým přechodem.
![]() V I D E O |
![]() Vysvětlení polovodičů P a N a přechodu PN |