Elektronika Előadás. Mikroelektronikai félvezetők fizikai alapjai. PN átmenet, félvezető diódák. Diódatípusok, jellemzők, alkalmazások.

Átírás

1 Elektronika 1 3. Előadás Mikroelektronikai félvezetők fizikai alapjai. PN átmenet, félvezető diódák. Diódatípusok, jellemzők, alkalmazások. Irodalom - Simonyi Károly: Elektronfizika, Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Wersényi György: Híradástechnikai alkatrészek, Borbély Gábor: Elektronika I, Tony R. Kuphaldt: Lessons In Electric Circuits, Volume III Semiconductors, 2009

2 A Bohr-féle atommodell A hidrogénatom elektronpályái és emissziós színképvonalai

3 Kvantummechanikai atommodell Megengedett elektronpályák (állóhullámok) a de Broglie hullámhipotézis szerint Részecske (m) hullám (l) dualizmus: h Js : Planck-állandó l m kg : az elektron nyugalmi tömege h p h m v 0 v 1 c 2 2

4 Kvantumszámok Kvantumszámok: a hullámegyenlet (Schrödinger-egyenlet) lehetséges megoldásaihoz tartozó sajátértékek. Főkvantumszám a héj száma: n Mellékkvantumszám a héj alhéjának száma: l

5 Kvantumszámok Mágneses kvantumszám a pálya száma egy alhéjban: m l Spin kvantumszámok az elektron száma egy pályán: m s Pauli-féle kizárási elv: egyazon atomon belül nem lehet két elektronnak minden kvantumszáma azonos. Ezért stabil a héjszerkezet és állandóak az atom kémiai tulajdonságai.

6 Sávelmélet Vezetők energia-sávszerkezete Szigetelők energia-sávszerkezete Félvezetők energia-sávszerkezete

7 Sugárzás elnyelése és kibocsátása: Direkt indirekt félvezetők Direkt tiltott sávú félvezető: elegendő egy foton elnyelése/kibocsátása elektron-lyuk pár keltéséhez/rekombinációjához. Példák: GaAs, GaSb, CdSe, CdTe Indirekt tiltott sávú félvezető: egy foton és egy fonon kevésbé valószínű egyidejű elnyelése/kibocsátása szükséges egy elektronlyuk pár keltéséhez/rekombinációjához. Példák: gyémánt, Si, Ge, GaP

8 Elektronszerkezet és vezetőképesség

9 Félvezetők kristályszerkezete Négyvegyértékű elem térhálós kristályszerkezete Lehetséges félvezető szerkezetek (két dimenzióban):

10 Félvezető anyagok 1.Félvezető elemek Si szilícium 4 II III IV V VI Be 12 Mg 30 Zn 48 Cd 80 Hg 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po Ge germánium 2.Félvezető vegyületek (a) IV IV Si C szilícumkarbid Si Ge szilíciumgermanid (b) III V Al P alumímiumfoszfid Ga P galliumfoszfid Ga As galliumarzenid Ga Sb galliumantimonid In P indiumfoszfid (c) II VI Zn Se cinkszelénid Zn Te cinktellurid Cd S kadmiumszulfid 3.Félvezető ötvözetek Al x Ga 1 x As GaAs 1 x P x Al x Ga 1 x As y Sb 1 y Ga x In 1 x As 1 y P y

11 Vegyérték-elektronok félvezetőben A vegyértékelektronok tökéletes félvezetőben, extrém alacsony hőmérsékleten mind kötöttek.

12 Termikus gerjesztéssel létrehozott vezetési elektronok Szabadelektron-koncentráció tiszta Si-ban:

13 Pozitív töltéshordozók félvezetőkben: elektron-vakanciák (lyukak)

14 Adalékolás öt vegyérték-elektronos elemmel: n típusú félvezető

15 Adalékolás három vegyérték-elektronos elemmel: p típusú félvezető

16 Töltéshordozó-koncentráció félvezetőkben Töltéshordozó-koncentrációk: W C a vezetési sáv alsó, W V a vegyértéksáv felső határenergiája. Fermi szint. N típusú adalékolás a vezetési, P típusú a vegyértéksáv felé tolja el. Tiszta félvezetőben: Adalékolt félvezetőkben a többségi töltéshordozók száma szerese a kisebbségieknek.

17 Áramok félvezetőkben Sodródási (drift) áram Sodródási sebesség: Mozgékonyság: q C : az elektron töltése Áramsűrűség: Diffúziós áram Diffúziós állandó: Teljes áramsűrűség:

18 PN átmenet A különböző adalékolású tartományok határán az elektron-lyuk rekombináció töltéshordozószegény záróréteget hoz létre. Az N oldalon az elektronhiány pozitív, P oldalon az elektrontöbblet negatív töltésű réteget együttesen potenciálgátat hoz létre. Nyitóirányú feszültség a záróréteget folyamatosan feltölti és a rekombináció biztosítja a vezetést a zárórétegen át Záró irányú feszültség a záróréteget kiszélesíti, nincs vezetés.

19 Félvezető dióda Diódák nyitófeszültsége Ge: V Si: V Schottky: 0.3 V Pont (tűs) dióda nagyobb frekvencián is alkalmazható Rétegdióda P + : cm -3 N - : cm -3 N + : cm -3 Schottky dióda: fém N típusú félvezető átmenet

20 Felépítés pn dióda Schottky-dióda Integrált-áramköri dióda. Az S pontot a negatív tápfeszültségre kötik, így 2 mindig zárt.

21 Félvezető dióda karakterisztikája I S : záróirányú telítési áram Ge: 100 na Si: 10 pa m = 1 2 tapasztalati érték U T : termikus feszültség (szobahőmérsékleten 26 mv) k = J/K Boltzmann állandó Kapacitások: -diffúziós kapacitás, nf, nyitóirányú telítés függvényében; - tértöltési kapacitás, néhány pf, záróirányú előfeszítés alatt.

22 Félvezető dióda kapcsolóüzemi karakterisztikája U T = 10 V; f = 10 MHz; R = 10 k A túllendülést az átmenet kapacitásából és a kapcsolt hálózat induktivitásából álló rezgőkör okozza. Záráskor a dióda záróirányba addig vezet, míg az átmeneti rétegből kiürülnek a töltéshordozók.

23 Zener dióda A Zener-dióda közel állandó záróirányú feszültség mellett a nyitóirányú telítési értékkel egyenlő áram vezetésére képes, záróirányban. Feszültségkorlátozás Zener-diódával. Szimmetrikus feszültségkorlátozás Zener-diódával.

24 Feszültségstabilizátorok Aktív feszültség-stabilizátor emitterkövető kapcsolással Aktív feszültség-stabilizátor műveleti erősítővel. A feszültségosztóval a kimenő feszültség U Z és U in közötti bármely értékre beállítható.

25 Varicap-dióda Diffúziós (C D ) és tértöltés-kapacitás (C T ) nyitófeszültség-függése Záróréteg-kapacitás zárófeszültség-függése

26 Tokozás Kis teljesítmény, hőelvezetés a lábakon. Nagy teljesítmény, hőelvezetés a házon. Mikrohullámú dióda, kis induktivitású csatlakozások.

27 Egyenirányítók Egyutas, együtemű egyenirányító. Egyutas, kétütemű egyenirányító, középkivezetéses szekunderű transzformátorral. Kétutas, kétütemű egyenirányító, középkivezetéses szekunderű transzformátorral. Mindkét féltekercsben mindkét félperiódusban kering áram Kétutas, kétütemű egyenirányító híd. Nem igényel transzformátort.

28 Háromfázisú egyenirányítók Háromfázisú, periódusonként 6 impulzusú egyenirányító

29 Háromfázisú egyenirányítók Háromfázisú, 12 impulzusú egyenirányító

30 Feszültség-korlátozók

31 Potenciál-illesztők Pozitív csúcs illesztése 0 V-ra. Negatív csúcs illesztése 0 V-ra. Pozitív csúcs illesztése 5 V-ra.

32 Feszültség-sokszorozók Egyutas feszültség-kétszerező Kétutas feszültség-kétszerező

33 Feszültség-sokszorozók Feszültség-háromszorozó Feszültség-négyszerező két darab kétszerezőből sorosan lapcsolt kimenettel

34 Feszültség-sokszorozók Cockroft-Walton rendszerű (egyutas kétszerezők sorosan kapcsolva) feszültség-nyolcszorozó