Polovodič

Polovodič
	Soubor:Diode-symbol-and-photo.jpg
	Symbol diody (nahoře) a skutečná dioda (dole), základní polovodičová součástka
Typ	Materiál / Elektronická součástka
Vynálezce	Objevy mnoha vědců, klíčový John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Shockley (tranzistor)
Datum vynálezu	Tranzistor v roce 1947

Rozbalit box

Obsah boxu

Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost je mezi vodičem (jako je měď) a izolantem (jako je sklo). Tato jedinečná vlastnost, spolu se schopností měnit vodivost vnějším vlivem (např. přivedením elektrického napětí, světla nebo tepla), činí z polovodičů základní stavební kámen veškeré moderní elektroniky.

Polovodiče jsou srdcem nesčetných zařízení, od počítačů a chytrých telefonů přes automobily a letadla až po domácí spotřebiče a lékařské přístroje. Jejich objev a následný vývoj tranzistoru a integrovaného obvodu odstartovaly digitální revoluci a definovaly technologickou podobu 20. a 21. století.

⚛️ Pro laiky

Představte si elektrický proud jako vodu tekoucí v potrubí.

Vodič (např. kov) je jako široké, stále otevřené potrubí. Voda (proud) jím může protékat prakticky bez omezení.
Izolant (např. guma) je jako zcela ucpané potrubí. Voda (proud) jím neprojde vůbec, ať se snažíte sebevíc.
Polovodič je jako potrubí s ventilem nebo stavidlem. V základním stavu je ventil téměř zavřený a protéká jen minimum vody (proudu). Když ale na ventil zatlačíte (přivedete napětí, posvítíte na něj), otevře se a voda může začít proudit. Můžete přesně regulovat, jak moc se ventil otevře a kolik vody proteče.

Tato schopnost "zapnout" a "vypnout" tok proudu, nebo jej přesně regulovat, je klíčová. Umožňuje vytvářet miniaturní spínače (tranzistory), které jsou základem všech počítačových čipů. Kombinací miliard takových spínačů můžeme provádět složité výpočty, ukládat data a ovládat všechna moderní elektronická zařízení.

📝 Základní principy

Elektrické vlastnosti polovodičů jsou dány jejich elektronovou strukturou, konkrétně tzv. pásovou strukturou. Elektrony v pevné látce mohou existovat pouze v určitých energetických hladinách, které se seskupují do energetických pásů. Pro polovodiče jsou klíčové dva pásy:

Valenční pás: Je to nejvyšší energetický pás, který je při absolutní nule (-273,15 °C) plně obsazen elektrony. Tyto elektrony jsou pevně vázány k atomům a nemohou vést elektrický proud.
Vodivostní pás: Je to nejnižší energetický pás, který je při absolutní nule zcela prázdný. Pokud se do něj elektron dostane, může se volně pohybovat a přispívat k vedení proudu.

Mezi valenčním a vodivostním pásem se nachází tzv. zakázaný pás (nebo pásová mezera, anglicky band gap). Jedná se o oblast energií, ve kterých se elektrony nemohou nacházet. Šířka tohoto zakázaného pásu určuje, zda je materiál vodič, polovodič, nebo izolant. U polovodičů je tato mezera dostatečně malá na to, aby dodaná energie (tepelná, světelná) dokázala "vykopnout" elektron z valenčního pásu do vodivostního. Tím vzniká volný elektron ve vodivostním pásu a zároveň po něm zůstává prázdné místo ve valenčním pásu, tzv. díra. Díra se chová jako kladně nabitá částice a také přispívá k vedení proudu.

⏳ Historie

Ačkoliv jsou polovodiče spojovány hlavně s druhou polovinou 20. století, první pozorování polovodičových jevů sahají mnohem dál. Již v roce 1833 si Michael Faraday všiml, že elektrický odpor sulfidu stříbrného klesá s rostoucí teplotou, což je opak chování kovů. V roce 1874 Karl Ferdinand Braun objevil usměrňovací efekt na kontaktu kovu a galenitu, což je princip, na kterém fungovaly první krystalové detektory v rádiích.

Skutečná revoluce přišla až po druhé světové válce v Bellových laboratořích v USA. Zde tým ve složení John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Shockley zkoumal vlastnosti germania. V prosinci 1947 se jim podařilo sestrojit první funkční hrotový tranzistor. Tento objev, za který v roce 1956 získali Nobelovu cenu za fyziku, otevřel cestu k miniaturizaci elektroniky.

Dalším milníkem byl v roce 1958 vynález integrovaného obvodu, na kterém nezávisle pracovali Jack Kilby z Texas Instruments a Robert Noyce z Fairchild Semiconductor. To umožnilo umístit velké množství tranzistorů a dalších součástek na jediný čip z křemíku, což vedlo k exponenciálnímu růstu výpočetního výkonu, známému jako Mooreův zákon.

🔬 Typy polovodičů

Polovodiče lze dělit podle jejich čistoty a složení.

Vnitřní (intrinsické) polovodiče

Jedná se o chemicky zcela čisté polovodičové materiály, jako je ultračistý křemík (Si) nebo germanium (Ge). Jejich vodivost je při pokojové teplotě velmi nízká a je způsobena pouze tepelně generovanými páry elektron-díra. Pro praktické využití v elektronice jsou málo vhodné.

Vnější (extrinsické) polovodiče

Jejich vlastnosti jsou cíleně upraveny procesem zvaným dopování. Do krystalové mřížky čistého polovodiče se přidá nepatrné množství příměsí (jiných prvků).

Polovodiče typu N (negativní): Vznikají dopováním křemíku pětivazným prvkem (např. fosfor, arsen). Příměs má o jeden valenční elektron více než křemík. Tento pátý elektron není pevně vázán a snadno se stane volným nosičem náboje. V polovodiči typu N jsou tedy majoritními (převažujícími) nosiči náboje záporné elektrony.
Polovodiče typu P (pozitivní): Vznikají dopováním křemíku trojvazným prvkem (např. bor, hliník). Příměsi chybí jeden elektron do plné vazby, čímž vzniká kladná díra. Ta se může snadno zaplnit elektronem ze sousední vazby, čímž se efektivně přesune na jiné místo. V polovodiči typu P jsou majoritními nosiči náboje kladné díry.

Kombinací polovodičů typu P a N vzniká tzv. PN přechod, který je základem většiny polovodičových součástek, jako jsou diody a tranzistory.

Složené polovodiče

Jsou tvořeny sloučeninami dvou nebo více prvků, například arsenid galitý (GaAs) nebo nitrid galitý (GaN). Často mají lepší vlastnosti pro specifické aplikace, jako je vysokofrekvenční elektronika nebo optoelektronika (např. LED diody, lasery).

🏭 Výrobní proces

Výroba moderních integrovaných obvodů je jedním z nejsložitějších a nejpřesnějších výrobních procesů na světě. Probíhá v ultračistých prostorách (tzv. cleanrooms), kde je počet prachových částic ve vzduchu tisíckrát nižší než na operačním sále.

Základním materiálem je monokrystalický křemík, který se pěstuje ve formě obrovských válců (ingotů) a následně řeže na tenké desky, tzv. wafery. Na těchto waferech se pak v mnoha desítkách až stovkách kroků vytváří struktura čipu:

Fotolitografie: Na wafer se nanese světlocitlivá vrstva. Pomocí ultrafialového světla se přes masku se vzorem obvodu osvítí.
Leptání: Osvětlené (nebo neosvětlené) části vrstvy se chemicky odstraní, čímž se vzor z masky přenese na wafer.
Depozice: Nanášení tenkých vrstev různých materiálů (kovů, izolantů).
Dopování: Cílené vnášení příměsí do struktury křemíku (např. implantací iontů) pro vytvoření oblastí typu P a N.

Tento cyklus se mnohokrát opakuje, čímž se vytváří složitá trojrozměrná struktura s miliardami tranzistorů. Nakonec se wafer rozřeže na jednotlivé čipy, které se zapouzdří a testují.

💻 Aplikace a využití

Polovodiče jsou všudypřítomné a tvoří základ moderní civilizace.

Výpočetní technika: Mikroprocesory (CPU), grafické procesory (GPU), paměti RAM a SSD disky.
Komunikace: Chytré telefony, Wi-Fi a Bluetooth moduly, satelity, optická vlákna.
Spotřební elektronika: Televize, fotoaparáty, herní konzole, chytré hodinky.
Automobilový průmysl: Řídicí jednotky motoru (ECU), ABS, airbagy, infotainment systémy, autonomní řízení. Moderní automobil může obsahovat tisíce polovodičových čipů.
Energetika: Fotovoltaické panely pro přeměnu slunečního záření na elektřinu, LED pro úsporné osvětlení, výkonová elektronika pro řízení elektrických sítí.
Průmysl a zdravotnictví: Senzory, řídicí systémy (PLC), robotika, lékařské diagnostické přístroje (např. CT, MRI).

📈 Ekonomika a trh

Polovodičový průmysl je jedním z největších a strategicky nejdůležitějších sektorů světové ekonomiky. Podle prognóz pro rok 2025 se očekává, že globální trh s polovodiči dosáhne hodnoty přes 600 miliard USD a bude nadále růst, poháněn poptávkou v oblastech jako umělá inteligence (AI), internet věcí (IoT) a 5G sítě.

Největšími hráči na trhu (podle tržeb a specializace) jsou:

TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company): Největší světový smluvní výrobce čipů, vyrábí pro firmy jako Apple, Nvidia a AMD.
Samsung: Přední výrobce paměťových čipů (DRAM, NAND) a zároveň významný smluvní výrobce.
Intel: Historicky dominantní výrobce procesorů pro osobní počítače a servery.
Nvidia: Lídr v oblasti grafických procesorů (GPU), které jsou klíčové pro hraní her a akceleraci AI.
Qualcomm: Dominantní dodavatel čipů pro mobilní telefony.

Výroba je extrémně kapitálově náročná; stavba jedné moderní továrny (tzv. "fab") může stát přes 20 miliard USD.

🌍 Geopolitický význam

V posledních letech se polovodiče staly centrem geopolitického soupeření, zejména mezi Spojenými státy a Čínou. Kontrola nad dodavatelským řetězcem polovodičů je vnímána jako klíčová pro ekonomickou i vojenskou převahu. USA zavedly rozsáhlé exportní kontroly, aby omezily přístup Číny k pokročilým technologiím.

V reakci na to se vlády po celém světě snaží posílit domácí výrobu a snížit závislost na Tchaj-wanu, kde se vyrábí drtivá většina nejpokročilejších čipů. Iniciativy jako CHIPS and Science Act v USA a European Chips Act v Evropské unii investují desítky miliard dolarů do budování nových továren a podpory výzkumu.

🔮 Budoucí trendy

Vývoj polovodičů neustále pokračuje, i když se Mooreův zákon ve své původní podobě zpomaluje. Mezi klíčové trendy pro blízkou budoucnost patří:

Nové materiály: Výzkum se zaměřuje na materiály, které by mohly nahradit nebo doplnit křemík. Patří sem složené polovodiče jako nitrid galitý (GaN) a karbid křemíku (SiC) pro výkonovou elektroniku, nebo 2D materiály jako grafen.
Pokročilé pouzdření (Chiplets): Místo jednoho velkého monolitického čipu se stále více prosazuje skládání menších, specializovaných čipů (chipletů) do jednoho pouzdra. To zlevňuje a zefektivňuje výrobu.
Neuromorfní a kvantové výpočty: Vývoj zcela nových architektur čipů inspirovaných lidským mozkem (neuromorfní) nebo využívajících principy kvantové mechaniky pro řešení specifických úloh, které jsou pro klasické počítače nezvládnutelné.
Fotonika a spintronika: Integrace optických prvků přímo na čip (křemíková fotonika) pro rychlejší přenos dat nebo využití spinu elektronů namísto jejich náboje (spintronika) pro efektivnější paměti.

Zdroje