Félvezető technika

Félvezető anyagok Félvezetők alatt olyan kristályos szilárd anyagokat értünk, amelyeknek fajlagos elektromos vezetése közönséges hőmérsékleten l0-9 - l03 Ωcm, azaz kevesebb, mint a fémeké és több, mint a szigetelőké, és amelyekben a vezetést elektronok (tehát nem ionok) közvetítik. Vannak elemi félvezetők, mint a szilícium vagy a germánium, és vegyület-félvezetők, pl. a gallium-arzenid (GaAs). A legfontosabb félvezető anyag napjainkban a szilícium.

Energiaszintek A kvantummechanika törvényei szerint azok az elektronok, amelyek szabad atomok erőterében mozognak, csak bizonyos meghatározott energiaértékűek lehetnek. Az atomok kristállyá szerveződése során az egyes atommagok által meghatározott energiaszintek sok, egymástól csak kevéssel különböző energiája mintegy összeolvad, energiasávokká szélesednek ki.

Energiaszintek 2 A félvezetőknél a vegyérték sáv és a vezetési sáv közötti tiltott sáv mindössze pár elektronvolt (a germánium esetében 0,7 eV, a szilícium esetében 1,1 eV). Sok elektron már szobahőmérsékleten is rendelkezik akkora termikus energiával, hogy átugorjon a vezetési sávba, pozitív töltésű mozgékony lyukat hagyva maga után. Így a vezetési sávban az elektronok, a vegyértéksávban pedig a lyukak keletkeznek. A töltéshordozók kialakulása révén az anyag vezeti az elektromos áramot.

Energiaszintek 3

Energiaszintek 4 A félvezetőkben és a szigetelőkben a kötött elektronok legfelső energiasávját valencia- (vegyérték-) sávnak, a szabad elektronok legalsó energiasávját pedig vezetési sávnak szokás nevezni. Gerjesztés nélküli állapotban a valencia sáv teljesen betöltött, míg a vezetési sáv teljesen üres. Hő, fény, radioaktív sugárzás vagy egyéb energiaközlő hatásra a valencia sáv egyes elektronjai átkerülhetnek a vezetési sávba, és így részt vehetnek a vezetésben.

N és P típusú szennyezés A félvezető ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt adalékolják. Az alkalmazott adalékatomnak eggyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőnek. Ha eggyel több, akkor negatív (N) típusú félvezetőről beszélünk (az adalék atomokat pedig donornak nevezik), ellenkező esetben pozitív (P) típusúról (az adalékatomokat pedig akceptornak nevezik). A donor atom öt valencia elektronja közül négy elektronpár kötést alkot a szomszédos atomok elektronjaival, az ötödik viszont nem tud elektronpár kötésbe lépni. Így a többletelektron eltávolításához igen kis energiára van szükség, energia nívójuk közel fekszik a vezetési sávhoz, már szobahőmérsékleten az összes többletelektron a vezetési sávba megy át.

N és P típusú szennyezés 2 P típusú félvezető esetében az akceptorok a vegyértéksávból megkötnek egy-egy elektront, így növelve a lyukak koncentrációját és ezáltal növelve a vezetőképességet. A hiányzó elektront az akceptor mag könnyen fel tudja venni a szomszédos atomok valencia elektronjai közül, mivel sokkal kisebb energia szükséges, mint a valencia sávból a vezetési sávba való átmenethez, energia nívója közel fekszik a valencia sávhoz.

P-N átmenet Adalékoljuk egy félvezető kristály egyik felét n-típusúra, a másikat p-típusúra . A p-típusú és n-típusú tartomány közötti határfelületet p-n átmenetnek nevezzük.

Mi történik a P és a N rétegek közt A szabad töltéshordozók véletlenszerű termikus mozgásukat végezve átjutnak a p- és n-típusú tartományt elválasztó határfelületen, és mivel az n-típusú részben nagyobb az elektronok koncentrációja, mint a p-típusúban, természetesen több elektron érkezik időegység alatt a p-típusú tartományba, mint onnan vissza. Ugyanígy, a p-típusú részből több lyuk jut át az n-típusúba, mint elektron. A p-n átmeneten átdiffundáló töltéshordozók azonban nem maradnak "szabadok", hanem legnagyobb részük rekombinálódik az azon a részen lévő többségi töltéshordozóval: a p-típusú részben a lyukakkal, n-típusúban az elektronokkal.

P-N átmenet A rekombinációs folyamat miatt a p-n átmenet mindkét oldalán egy szabad töltéshordozókban szegény kiürített réteg jön létre. A szabad töltéshordozók ugyanakkor töltéssel bíró részecskék. A p-típusú részt mind a beérkező elektronok, mind a távozó lyukak negatívvá teszik, míg az n-típusú részben a szabad töltéshordozók diffúziója miatt pozitív többlettöltés halmozódik fel. Ennek következtében a p-n átmenet körül a p-típusú oldalon negatív, az n-típusúban pozitív töltéssűrűség jön létre.

A P-N átmenetek alkalmazásai

Mire jó a P-N átmenet? A p típusú és n típusú szennyezett félvezetők különféle célra egyenként is felhasználhatók, de a p típus és n típus egyesítésével (p-n átmenet) olyan tulajdonságokat, pl. egyenirányító és erősítő tulajdonságokat lehet kialakítani, amelyek külön a p típusban vagy az n típusban nincsenek meg. Ilyen átmenetek működnek a diódákban és a tranzisztorokban.

A dióda töltés viszonyai Anionok (negatív töltésű ionok) Kationok (pozitív töltésű ionok)

Dióda típusok Közönséges egyenirányító dióda Fotodióda Zener-dióda Kapacitásdióda Világítódióda (LED)

Dióda A rétegdióda egyetlen p-n átmenettel rendelkező félvezető eszköz, olyan kétpólus, ahol az egyik kivezetés (az anód) egy félvezető kristály p-típusúra adalékolt oldalához, a másik kivezetés (a katód) az n-típusú oldalhoz csatlakozik.

A diódák tulajdonságai Az [a] és [b] ábrákon látható áramkörökben az alábbi jelenségek tapasztalhatók, ha feszültséget adunk a diódára és a telep (+) elektródáját az anód oldali p típusú félvezetővel, a telep (-) elektródáját pedig a katódoldali n típusú félvezetővel kötjük össze az alábbi [a] ábra szerint, akkor az áram könnyen folyik (nyitó irányú kapcsolás). De ha megfordítjuk a telep (+) és (-) elektródáinak a bekötéseit a [b] ábra szerint, akkor nem folyik áram (záró irányú kapcsolás). Azaz a dióda az anód irányából a katód irányába átereszti az áramot, viszont a katód irányából az anód irányába nem. Ezért a diódának olyan tulajdonsága van, hogy csak az egyik irányba engedi át az áramot.

Nyitófeszültség Ha a külső feszültség meghaladja a küszöbfeszültséget, a kiürített réteg eltűnik, és a p-n átmeneten semmi nem akadályozza a szabad töltéshordozók áthaladását. Az áramerősség a diódára kapcsolt külső feszültség növelésével rohamosan nő. A dióda tehát átvezet. Az ilyen irányú feszültséget nyitófeszültségnek, az áramot nyitóirányú áramnak nevezzük.

Zárófeszültség Ellenkező esetben a rákapcsolt külső feszültség a belső potenciálgát magasságát növeli, a többségi töltéshordozók diffúziója a határrétegen keresztül gátolva van, a rekombinációs tartomány kiszélesedik, a dióda "lezár". Az ilyen irányú feszültséget zárófeszültségnek nevezzük. Ilyenkor is folyik egy kis áram (nagyságrendekkel kisebb, mint nyitóirányban), melyet a kisebbségi töltéshordozók hoznak létre. Ez a záróirányú áram.

Dióda karakterisztika Növelve a záróirányú feszültséget azt tapasztaljuk, hogy egy bizonyos értékéig az áram gyakorlatilag állandó, de ezen feszültség túlhaladása után rohamosan növekedni kezd. Ezt nevezzük a dióda letörési feszültségének

Bipoláris tranzisztor A tranzisztor két p-n átmenetet tartalmazó félvezető eszköz. A pnp tranzisztor két p-típusú réteg között egy n-típusú réteget, az npn tranzisztor pedig két n-típusú réteg között egy p-típusút tartalmaz.

Tranzisztor Kapcsoljunk egy npn tranzisztor p-n átmeneteire feszültséget úgy, hogy UBE > 0,7 V, UCB > 1 V legyen. Nézzük meg, mi történik! A bázis-emitter diódára nyitóirányú feszültséget adtunk, ezért ott megindul az áram. Mivel az emitter sokkal szennyezettebb, mint a bázis, az áramot főként az emitterből a bázisba belépő elektronok szállítják. Azt várnánk, hogy ezek az elektronok a bázis kivezetésén eltávoznak, és mivel a bázis-kollektor dióda záróirányú feszültséget kap, a kollektor-vezetéken nem folyik áram. Csakhogy a bázis igen vékony, és az elektronok kisebbségi töltéshordozók a bázisban! Számukra a bázis-kollektor határréteg nyitott, itt akadálytalanul áthaladnak, és belezuhannak a kollektorba, ami -mint a neve is mutatja- összegyűjti ezeket. Tehát a tranzisztorban az emittert elhagyó és a bázisba belépő elektronok majdnem teljes áramát a kollektor összegyűjti és csak a maradék -mely a teljes áramnak csak néhány százaléka (vagy csak 1-2 ezreléke)- adja a bázisáramot.

Tranzisztor Elviekben hogy is néz ki?