Život bez mobilných telefónov a počítačov si už ani nevieme predstaviť. Z čoho je vlastne zložený elektronický svet okolo nás?
Elektronické súčiastky na báze polovodičov sú absolútne kľúčovou súčasťou každého technologického zariadenia. Čo teda polovodič vlastne je? Schopnosť viesť elektrický prúd je priamo dôsledkom správania sa elektrónov, ktoré sú nositeľmi elektrického náboja. Inými slovami – je možné tvrdiť, že materiál je vodivý vtedy, keď sú elektróny voľné.
Elektrická vodivosť
Ak sú v materiáli nejaké voľné elektróny v celej škále teplôt, teda existuje nejaká nenulová vodivosť, tak hovoríme o kove, resp. vodiči. Vtedy po priložení elektrického napätia medzi dve svorky začne materiálom tiecť elektrický prúd, ktorý je daný elektrickou vodivosťou a veľkosťou priloženého napätia. Elektrická vodivosť je teda akýmsi ukazovateľom, ako sa nosiče náboja musia predierať cez materiál a koľko takýchto nosičov je k dispozícii. V prípade izolantu nie sú k dispozícii voľné nosiče náboja na celej škále teplôt, teda ich vodivosť je extrémne malá.
Polovodič je materiál, ktorý je pri veľmi nízkych teplotách blížiacich sa k 0 K (-273,15 °C) vysoko odporový. Vtedy hovoríme, že elektróny vymŕzajú. No pri teplote blízkej izbovej teplote sa vďaka energii, ktorá je daná teplotou kryštálu zohriateho okolím, môžu elektróny uvoľňovať a stávajú sa vodivými.
Hovoríme, že polovodič, v ktorom sú nosičmi náboja elektróny, je typu n. Existuje aj polovodič typu p, v ktorom sú nosičmi náboja tzv. diery. Tie sú veľmi úzko späté s elektrónmi a dá sa povedať, že diera je chýbajúci elektrón v kryštáli tam, kde by sme ho za normálnych okolností očakávali.
Tranzistor
Z polovodičov sa pripravujú súčiastky, pričom jednou z najdôležitejších je tzv. tranzistor. Objav tranzistora, základnej stavebnej jednotky všetkých novodobých technologických elektronických zariadení, bol jeden z najdôležitejších krokov vo výskume polovodičov. Tranzistor je súčiastka, ktorá má dve hlavné využitia – zosilnenie signálu a spínanie. Ide o takú súčiastku, ktorej vodivosť vieme veľmi jednoducho meniť, teda vieme spínať medzi vodivým (otvoreným) a nevodivým (zatvoreným) stavom.
Tento princíp sa dá jednoducho znázorniť a vysvetliť na ilustrácii. Predstavme si, že máme tobogan, ktorý má vysoký spád a tečie cezeň neustále voda zo zdroja (S), ktorá na konci vyteká von (D) vo forme prúdu (I.). Potom príde známy čarodejník Ronald a šmahom prútika vodu odčaruje (II.), teda voda viac nebude pretekať toboganom (III.). Aj keď je vodný zdroj (S) stále zapnutý, do odtoku (D) sa voda nevylieva a nameraný prúd je nulový – tobogan je zatvorený. Všimnite si, že čarodejník naozaj nevypol zdroj vody, len ju odčaroval v oblasti toboganu. Označenie S a D súvisí s anglickými výrazmi source a drain, ktoré sa typicky používajú pri unipolárnych tranzistoroch.
Kúzelné napätie
Otázkou ostáva, čo je v našom skutočnom svete známym čarodejníkom, ktorý vie takto poľahky ovládať množstvo vody tečúcej cez tobogan. Je to tretí vstup do súčiastky, ktorý voláme hradlo, štandardne sa označuje písmenom G (z angl. gate). Hradlo je teda kľúčová časť spínacieho tranzistora, pričom samotné kúzlo je vykonané pripájaním elektrického napätia.
To teda znamená, že v prvom rade je potrebné pripraviť polovodičový materiál. Následne je nutné zanalyzovať a pochopiť správanie vrstvy, pričom tieto výsledky sú potrebné na ďalšie optimalizovanie technológie prípravy vrstiev. Na zoptimalizovanej vrstve sa vytvarujú súčiastkové štruktúry (mikrorezistory, diódy, tranzistory atď.). Tieto sa študujú pokročilými elektrickými technikami. Všetky spomenuté kroky sú prácou vedcov na Elektrotechnickom ústave SAV, v. v. i., čím prispievajú do celosvetového poznania v oblasti technológie a fyziky polovodičov.
Text a ilustrácia Mgr. Fridrich Egyenes, PhD.
Elektrotechnický ústav SAV, v. v. i.
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.
