Nové poznatky z laboratoří ve třetím ročníku

Mým prvním úkolem v laboratořích, hned po návratu ze zimních prázdnin, bylo zkoumat PN přechody. PN přechod je součástka ze dvou odlišných typů polovodičových materiálů. Vznikne spojení P polovodiče s N polovodičem. Polovodiče mají v porovnání s izolanty nízkou pásovou mezeru. Pásová mezera je množství energie, které musí elektrony překonat, aby se dostali z valenčního pásu do pásma vodivosti. Pak se elektrony mohou volně pohybovat, vést elektrický proud. Ve vlastních polovodičích bez chemických příměsí je však množství elektronů příliš nízké, aby mohlo polovodičem protékat významné množství proudu.  Proto se do polovodiče přidávají chemické příměsi obsahující atomy s příhodnou strukturou energií elektronů. Do polovodiče typu N se přidávají atomy, které obsahují elektrony s energií blízkou pásmu vodivosti. Když je polovodič typu N zapojen do obvodu se zdrojem napětí, tak i nízké napětí, tzn. práce kterou zdroj vykoná, aby uvedl elektrony v obvodu do pohybu, stačí, aby elektrony z atomů chemické příměsi byly vybuzeny do pásma vodivosti. Naopak u polovodičů typu P obsahuje chemická příměs atomy s elektrony s energií blízkou valenčnímu pásu. Zde však, při zapojení polovodiče do elektrického obvodu, dojde k odtržení elektronů, vedoucímu k přítomnosti děr, pozitivních nábojů ve valenčním pásu. Spojení polovodiče typu P a N vede k zajímavým vlastnostem, které závisí na typu materiálu, teplotě, orientaci PN přechodu, či výši napětí v obvodu. Hlavní vlastností je, že PN přechod vede elektrický proud pouze, když je zdroj napětí orientován ve správném směru. Jednoduchým přirovnáním může být suché koryto řeky. Když vynaložíme úsilí, energii a načerpáme vodu do ústí řeky, tak bude jako elektrický proud protékat korytem. Nicméně, pokud bychom načerpali vodu do koryta v nížině, kde již řeka ústí do moře, tak by voda korytem („do kopce“) neprotékala. Celá problematika PN přechodů je složitější, než jak jsem se dosud na základě vědomostí ze školy domníval, a je velmi zajímavá. PN přechody jsem zkoumal v laboratoři při různých podmínkách.

Nejprve jsem se musel přizpůsobit pro mě novým podmínkám práce v laboratoři. Instrukce k provedení pokusů totiž byly velmi vágní. Měl jsem velikou svobodu a volnost, jak pokusy vykonat, ale o to více jsem se pouštěl do neznáma. Sice jsem si vždy stanovil hypotézu na základě teorie, ale často výsledky měření vůbec neodpovídaly mým předpokladům. Složité také bylo si připravit vlastními silami aparaturu. K tomu jsem se musel naučit svářet, vrtat závity, či manipulovat s tekutým dusíkem. Nejednou jsem si tak vzpomněl na svá studia na průmyslové škole, kde byly dílny povinným předmětem, pro mě ale tehdy byly trápením. Občas mi, bohužel, chybí intuice pro zdánlivě snadné praktické úkony. Musím přiznat, že mi dost pomohli laboratorní asistenti, doktorandští studenti, kteří nám poskytují podporu. Pomáhají nám s organizací pokusů, s nejrůznějšími praktickými úkony nebo dávají dobrou zpětnou vazbu na náš pochod myšlenek. Navíc se s nimi i občas dobře zasměji. Smysl pro humor je v obtížných situacích moc důležitý.

Nejobtížnějším měřením byla asi analýza spektra LED diody při teplotě zhruba 80 Kelvin (-193.15 stupňů). LED dioda funguje na principu PN přechodu. Musel jsem nejprve vlít tekutý dusík do nádoby s tvarem válce se snižujícím se průměrem. To nebylo snadné, neboť nádoba s tekutým dusíkem neměla nálevku jako konvice na čaj a já nechtěl tekutý dusík rozlít po celém mém pracovním stole. Výhodou bylo, že tekutý dusík se poměrně rychle vypařuje. Nevýhodou, že dotek odkrytou rukou by nejspíše vedl k závažným omrzlinám. Já však často zápolím s rozlíváním čaje, obzvláště mi dělají problém atypické tvary konvic. Nakonec se mi však se zatajeným dechem podařilo tekutý dusík do válce nalít. Pak jsem si vyzkoušel, jak kvalitní jsou moje elektrické spoje, které jsem vlastnoručně pájel cínem. V tekutém dusíku to bublalo, jak se vypařoval, situace byla dosti nepřehledná. Potřeboval jsem záření z LED diody namířit do spektrometru. Navíc se vlastnosti diody při tak nízké teplotě kompletně změnily, a tak jsem najednou potřeboval na zdroji nastavit mnohem vyšší napětí. Tak se mi povedlo několik LED diod zničit, neboť při opětovném zahřátí byl proud v obvodu destruktivní. Nakonec jsem však úspěšně spektrum změřil. LED dioda změnila barvu v závislosti na vlnové délce, na které vysílala fotony. To bylo způsobeno tím, že elektrony při nižší teplotě potřebovaly mnohem více energie, aby byli vybuzeny do pásma vodivosti. Byl to úžasný pocit, když se mi ten pestrobarevný experiment vydařil! Elektrony následně z pásma vodivosti zpět spadly do valenčního pásu a vyzářily při tom fotony.

Myslím, že laboratoře jsou důležitou součástí studia fyziky, ač mnozí moji spolužáci na ně zanevřeli. Umožňují si totiž ověřit některé fyzikální principy přímo v praxi. Mnohem snazší je pak porozumět tomu, co se učíme, v tomto případě fyzice pevných látek. Navíc jsou vědecké pokusy základním způsobem, jak ověřujeme různé fyzikální teorie. Z laboratoří mám vždycky tak trochu povznášející pocit, cítím, že teorie a praxe spolu souvisí, obě jsou důležité, a vždy dojdu k nějakému zajímavému zjištění, ke kterému bych se pouze studiem teorie pravděpodobně nikdy nedobral.