4.B 4.B. A félvezetı anyagok fizikája (sajátvezetés, szennyezés, áramvezetés félvezetıkben)

Átírás

1 4.B Félvezetı áramköri elemek Félvezetı diódák Ismertesse a félvezetık felépítésének és mőködésének fizikai alapjait, s fejtse ki a mőködés elektronfizikai és elektrokémiai vonatkozásait! Értelmezze a félvezetı dióda jellemzıit, s értelmezze az egyenáramú és a differenciális ellenállást! Rajzolja fel a félvezetı dióda karakterisztikáját és jelképét! Mutassa be a karakterisztika jellegzetes szakaszait! A félvezetı anyagok fizikája (sajátvezetés, szennyezés, áramvezetés félvezetıkben) Kvantummechanika A kvantummechanika olyan átfogó fizikai elmélet, amelyet az atomi és a szubatomi rendszerek leírására dolgoztak ki. Eszerint az atomban lévı elektronok potenciális energiája és a hozzárendelt állandó elektronpályák csak diszkrét energiaértékeket vehetnek fel. Szilárd anyagokban azonban az erıs atomi kölcsönhatások miatt az egyedi atomok diszkrét energiaértékei kiszélesednek és energiasávokban (megengedett energiaszintekben) tömörülnek, amelyek tiltott sávokkal (tiltott energiaértékekkel) vannak egymástól elválasztva. Tiltott sáv A megengedett energiaszintek tiltott sávokkal (tiltott energiaértékekkel) vannak egymástól elválasztva. Vezetési sáv Ha az atomot megfelelı nagyságú energiával gerjesztjük, akkor a vegyértékelektron kiszakad az atomi kötelékbıl és bekerül a vezetési sávba. Energiasáv Szilárd anyagokban azonban az erıs atomi kölcsönhatások miatt az egyedi atomok diszkrét energiaértékei kiszélesednek és energiasávokban (megengedett energiaszintekben) tömörülnek. Vegyértéksáv Vegyértéksávnak vagy valenciasávnak nevezzük az atom maximális energiaszintő elektronpályáját. A vegyértéksávban található elektronok a vegyérték- vagy valenciaelektronok. Ha az atomot megfelelı nagyságú energiával (ionizációs energiával) gerjesztjük, akkor a vegyértékelektron kiszakad az atomi kötelékbıl és bekerül a vezetési sávba. Itt szabad töltéshordozóként viselkedve növeli az anyag vezetıképességét, amelyet a vegyérték és a vezetési sáv közötti tiltott sáv szélessége határoz meg. Az elektronvolt (ev) az elektron 1 V gyorsító feszültség hatására létrejövı mozgási energiája. Tiltott sávok különbsége Figyeljük meg a vezetık, félvezetık és a szigetelık tiltott sávjának szélessége közti különbséget! Vezetı anyagok esetén a tiltott sáv szélessége nagyon kicsi (0.2 ev), ami azt jelenti, hogy már szobahımérsékleten is nagyon sok vezetési elektronnal rendelkeznek. Félvezetı anyagok esetén a tiltott sáv szélessége nagyobb ( ev), ezért szobahımérsékleten és tiszta állapotban szigetelıként viselkednek. Azonban ha a hımérsékletük nı, akkor egyre több vezetési elektronjuk keletkezik, vagyis a vezetıképességük növekszik. Szigetelı anyagok esetén a tiltott sáv szélessége már olyan nagy (>1.5 ev), hogy gerjesztés hatására sem képzıdik jelentıs mennyiségő vezetési elektron. A vezetıképességük megközelítıleg nulla. Az atomok vagy molekulák összekapcsolódásának típusa meghatározza az anyag áramvezetı képességét. Energiasáv vezetıben Energiasáv félvezetıben Energiasáv szigetelıben 1

2 Félvezetı elemek A félvezetı anyagok lehetnek kémiai elemek és vegyületek is. A legfontosabb félvezetı elemek: a germánium (Ge) és a szilícium (Si), amelyek a periódusos rendszer IV.A csoportjába tartoznak. Félvezetı elemként viselkednek bizonyos fémötvözetek, például a gallium-arzenid (GaAs) és az indium-antimonid (InSb) is. A félvezetı anyagok tulajdonságai Vizsgáljuk meg a félvezetı anyagok tulajdonságait kovalens kötéssel kapcsolódó atomok esetén! Minden atom a vegyértékelektronjait négy másik atommal osztja meg, így alakul ki egy szimmetrikus tetraéderes szerkezet. Ez a gyémánt típusú kristályszerkezet a nagyon kemény és stabil kristályokra jellemzı. Az atomok térbeli ábrázolása helyett a továbbiakban az ezzel egyenértékő, de áttekinthetıbb síkbeli szerkezetet használjuk. A szilíciumkristály szerkezete A szilíciumkristály síkbeli ábrázolása Félvezetık sajátvezetése A félvezetı eszközök gyártására használt nagy tisztaságú monokristályos (egykristályos) anyagokban minden elektront lekötnek a kovalens kötések, egyetlen szabad töltéshordozót sem tartalmaznak. Ezek alapján azt mondhatnánk, hogy a félvezetı anyagok tökéletesen szigetelnek. Ez azonban csak az abszolút nulla hımérsékleten igaz. Ha a félvezetı anyag hımérsékletét megnöveljük, akkor a hıenergia hatására néhány kovalens kötés felbomlik, amely pl. szobahımérsékleten már jelentıs számú valenciaelektront jelent, ami a vezetıképesség megnövekedését vonzza magával. A kötésébıl kilépı elektron elektronhiányt, azaz pozitív töltéső lyukat hagy maga után. A lyuk egy negatív töltés hiányt jelent, amely magához vonz egy szomszédos elektront. Ez az elektron szintén lyukat hagy maga után, tehát elektromos tér hatására a lyuk a negatív, míg az elektron a pozitív pólus felé áramlik. Az imént leírtakat az elektron-lyuk pár hıhatás révén történı képzésnek nevezik. A szabad töltéshordozók mozgásának félvezetıkben - a hımozgáson kívül - két oka lehet: A töltéshordozók nem egyenletes eloszlása a kristályban. Belsı, vagy külsı elektromos tér jelenléte. Egy inhomogén szennyezettségő félvezetı kristályban a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerő, hanem azt a célt szolgálja, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésükre álló teret. Az ilyen koncentráció különbségbıl adódó töltéshordozó áramlást diffúziós áramnak nevezzük. Az elektronok diffúziója következtében a félvezetı anyag egyes részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, azonban ha az anyagot teljes egészére vizsgáljuk, elektromosan semleges marad. Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belsı villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat az eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a folyamat egy újabb áramot idéz elı, melynek iránya pontosan ellentétes a diffúziós áraméval, viszont nagyságuk azonos. Ha egy félvezetı egységkristályban a töltéshordozók mozgása külsı vagy belsı elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodródási áramnak, vagy más néven driftáramnak nevezzük. Termikus töltéshordozók A félvezetı anyagban rendszertelen mozgást végzı elektronok ha találkoznak egy pozitív töltéső lyukkal, akkor azzal azonnal kötést létesítenek, amit rekombinációnak (újraegyesülésnek) nevezünk. Egységnyi kristálytérfogatban egy adott idı alatt keletkezett és rekombinálódó töltéshordozók száma azonos. A keletkezéstıl az újraegyesülésig egy szabad töltéshordozó élete (fennmaradása) csak néhány másodpercre tehetı. Azonban a félvezetı kristályban mindig találunk az adott hımérsékletre jellemzı számú szabad töltéshordozó párokat. Ezek a termikus töltéshordozók hozzák létre a félvezetı saját vezetését. A szerkezeti félvezetık saját vezetése, amely egyenesen arányos a termikus töltéshordozók számával, exponenciálisan növekszik a hımérséklettel. 2

3 A félvezetık szennyezése (adalékolása) Az elektronika szerkezeti félvezetıket kis értékő vezetıképességük miatt a gyakorlatban csak ritkán használ. A tiszta félvezetıket csak NTK- ellenállásként alkalmazzák. A félvezetı anyag vezetıképességét más atomokkal való szennyezéssel növelhetjük. A négy vegyértékő félvezetı anyagokat három vagy öt vegyértékő atomokkal szokták szennyezni, így növelve meg vezetıképességét: Három vegyértékő szennyezıatomok: bór (B), alumínium (Al), indium (In), gallium (Ga) Öt vegyértékő szennyezıatomok: foszfor (P), antimon (Sb), arzén (As), bizmut (Bi). Ha egy szilícium egységkristályt ötvegyértékő (pl. foszfor) atomokkal szennyezünk, akkor a foszfor atom négy elektronja kötést alakít ki a szomszédos szilícium atomok elektronjaival, míg az ötödik amelyik nem tud kötést kialakítani csak lazán kötıdik atomtörzséhez, így már minimális energiaközlés hatására (szobahımérsékletnél kisebb hımérsékleten is) vezetési elektronná válik. Az ötvegyékértékő atomok mindegyike tehát egy szabad töltéshordozót hoz létre a kristályban anélkül, hogy pozitív töltéső lyuk keletkezne. N-típusú szennyezés Az elektronokat N-típusú szennyezés esetén többségi töltéshordozóknak, míg a lyukakat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük. Az N-típusú félvezetıkben a vezetési elektronok egy része a donor atomokból, más része a hımozgás okán keletkezik. Abban a hımérséklettartományban, ahol a félvezetı alkatrészeket használják, a szabad töltéshordozók száma nem függ a termikus töltéshordozók számától. N-szennyezéső szilícium Ha a kristályban található szabad elektronok száma sokkal nagyobb, mint a lyukak száma, akkor N-szennyezéső szilíciumról beszélünk. A foszfor atom mivel elektront ad le donor atomnak, a szennyezést donor szennyezésnek nevezzük. Az elektronokat N-típusú szennyezés esetén többségi töltéshordozóknak, míg a lyukakat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük. Az N-típusú félvezetıkben a vezetési elektronok egy része a donor atomokból, más része a hımozgás okán keletkezik. Abban a hımérséklettartományban, ahol a félvezetı alkatrészeket használják, a szabad töltéshordozók száma nem függ a termikus töltéshordozók számától. Si-P kötés (N-típusú szennyezés) Si-B kötés (P-típusú szennyezés) P-típusú szennyezés A félvezetı anyag vezetıképességének növelése három vegyértékő szennyezıatomok kristályba való beépítésével is létrehozható. Ilyen esetben csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötésbıl hiányzó elektron helyén egy lyuk keletkezik. Akár már kis energia közlés esetén is létrejöhet az, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon és így saját helyét hagyja betöltetlenül. Ez a lyuk egy másik elektron számára marad betölthetıvé, és így a lyuk kristályban történı vándorlása máris megvalósult. A három vegyértékő atomok a lyukak létrehozásával elektronokat vesznek fel, ezért akceptor vagy P-típusú szennyezı anyagoknak nevezzük ıket. Az ilyen szennyezettségő félvezetıt P-típusú félvezetınek nevezzük, amelyben a többségi töltéshordozók a pozitív töltéső lyukak, míg a kisebbségi töltéshordozók a negatív töltéső elektronok Áramvezetés a félvezetıkben A szabad töltéshordozók mozgásának félvezetıkben - a hımozgáson kívül - két oka lehet: A töltéshordozók nem egyenletes eloszlása a kristályban Belsı, vagy külsı elektromos tér jelenléte. 3

4 Egy inhomogén szennyezettségő félvezetı kristályban a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerő, hanem azt a célt szolgálja, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésükre álló teret. Az ilyen koncentráció különbségbıl adódó töltéshordozó áramlást diffúziós áramnak nevezzük. Elektronok diffúziója Driftáram a félvezetıkben Az elektronok diffúziója következtében a félvezetı anyag egyes részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, azonban ha az anyagot teljes egészére vizsgáljuk, elektromosan semleges marad. Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belsı villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat az eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a folyamat egy újabb áramot idéz elı, melynek iránya pontosan ellentétes a diffúziós áraméval, viszont nagyságuk azonos. Ha egy félvezetı egységkristályban a töltéshordozók mozgása külsı vagy belsı elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodródási áramnak, vagy más néven driftáramnak nevezzük. PN átmenet, a félvezetık felépítése, rajzjele A PN-átmenetek A félvezetık felépítésében P-típusú és N-típusú rétegek egyaránt megtalálhatóak. Ezen különbözı vezetıképességő rétegek között, a szennyezıatomok eloszlásának a változása lép fel. Abban az esetben amikor a szennyezıatomok koncentrációjának változása a vezetés típusának megváltozásával egy maximálisan 1 µm szélességő zónában jön létre, akkor egy PN-átmenetet kapunk. A félvezetı eszközök mőködési paramétereinek jelentıs részét a PN-átmenet tulajdonságai határozzák meg. PN-átmenet A határréteg Most nézzük meg, hogyan alakul ki a PN-átmenet. Tételezzük fel, hogy a két réteg kezdetben elektromosan semleges. A két réteg érintkezési felületénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége kis mértékő diffúziót indít meg: a N-rétegbıl elektronok diffundálnak át a P-szennyezettségő rétegbe, a pozitív töltéső lyukak pedig a P-szennyezettségő rétegbıl átdiffundálódnak az N-rétegbe. Amikor az N-rétegbıl kiinduló elektronok áthaladnak a határrétegen, egy olyan tartományba érkeznek, ahol igen nagy a pozitív töltéső lyukak sőrősége. Mivel itt a rekombináció valószínősége nagy, az elektron, mint szabad töltéshordozó rövid idı alatt megszőnik. PN-átmenet potenciálgátja PN-átmenet kialakulása Hasonló folyamaton megy keresztül a pozitív töltéső lyuk az N-sszennyezettségő rétegben. Ennek következtében az átmenet környezetében, szennyezéstıl függıen, a félvezetı anyag töltéshordozókban elszegényedik és egy úgynevezett határréteg (tértöltéső tartomány) alakul ki. 4

5 A PN-átmenet egy nagyon vékony réteg, amely vastagsága 1 µm és 10 nm között változik. A határréteg két oldalán kialakul egy belsı potenciálgát, amelyet d diffúziós feszültségnek nevezzük. Ennek nagysága szilícium félvezetı esetén 0,6-0.7 V körüli érték. A valóságban a két réteg szennyezése csak nagyon ritkán egyforma, ezért a tértöltési tartománya kevésbé szennyezett területen nagyobb kiterjedéső. A félvezetı dióda A félvezetı dióda tulajdonképpen nem más, mint egy kivezetésekkel ellátott, fém, üveg, mőanyag tokba zárt PNátmenet. Dióda felépítése Dióda rajzjele A rajzjel háromszögrésze a P-tartományt (anód) szimbolizálja, a függıleges vonalrésze az N-tartományt (katód). A vezeték irányába mutató csúcs a nyitóirányú polarizálás estén érvényes áramirányt adja meg. A PN-átmenet a mőködtetı feszültségpolaritásától függıen nyitó vagy záróirányban mőködtethetı. Nyitóirányú a félvezetı dióda elıfeszítése, ha a P tartomány az N-réteghez képest pozitív feszültséget kap, ellenkezı polaritás esetén záróirányú mőködtetésrıl beszélünk. Nyitóirányú polarizálással a dióda vezeti az elektromos áramot, mert úgy viselkedik, mint kis értékő ellenállás, míg záróirányú elıfeszítés (= polarizálás, mőködtetés) esetén a dióda ellenállása nagy értékő, így nem vezet. Mindezekbıl arra lehet következtetni, hogy a félvezetı diódának egyenirányító hatása van. A félvezetı dióda szerkezete és a szennyezett rétegek geometriája függvényében további különleges tulajdonságok elérése válik lehetıvé. Ezek a tulajdonságok teszik lehetıvé nagyon sok diódatípus megvalósítását. A félvezetı dióda elıfeszítése, karakterisztikák (az egyenáramú és a differenciális ellenállás) Félvezetı dióda nyitóirányú elıfeszítése A dióda nyitóirányú elıfeszítése azt jelenti, hogy az anód a katódhoz képest pozitívabb feszültséget kap. A nyitóirányú elıfeszítés a diffúziós feszültség értékét csökkenti, amely gátolja a többségi töltéshordozók áramlását. Dióda nyitóirányú elıfeszítése Dióda nyitóirányú karakterisztikája Mint ahogy a karakterisztikáról leolvashatjuk, kis mértékő nyitóirányú feszültség esetén (100 mv) a PN-átmenet még viszonylag nagy ellenállású, azaz csak nagyon kis erısségő áram folyik. Az f feszültséget növelve kezdetben kis mértékő áramnövekedést, majd a diffúziós feszültség értékét elérve (Si diódáknál kb. 0,6 V) hirtelen nagyon erıs növekedés tapasztalható. Ameddig f nem lesz egyenlı d -vel addig a dióda árama exponenciálisan nı. A dióda viselkedése nyitófeszültség növelése esetén A nyitófeszültség további növelése esetén a dióda úgy fog viselkedni, mint egy kis értékő ellenállás, tehát a karakterisztika további alakulása lineáris jelleget mutat. Ennek az ellenállásnak az értéke a félvezetı anyagától, szennyezettségétıl és geometriai tulajdonságaitól függ. 5

6 Félvezetı dióda záróirányú elıfeszítése Záróirányú elıfeszítés esetén a potenciálgát értéke megnı, a tértöltési zóna a félvezetıben a zárófeszültség függvényében kiszélesedik (záróirányú karakterisztika). Ekkor a PN-átmeneten csak nagyon kis értékő, µa nagyságrendő úgynevezett visszáram folyik, aminek az értéke gyakorlatilag független a záróirányú feszültség értékétıl. A záróirányú áram nagysága A záróirányú áram nagysága a hımérséklet növekedésével exponenciálisan nı. Állandó hımérsékleten nulla záróirányú feszültség esetén a záróirányú áram értéke is nulla. A kisebbségi töltéshordozók áramlása már kis zárófeszültség esetén is megindul és a visszáram néhány tized voltnál telítésbe kerül. Ez annak köszönhetı, hogy a kisebbségi töltéshordozók mozgási energiája növekszik de számuk gyakorlatilag nem. Az R feszültség értékét tovább növelve a jelleggörbén elérünk a letörési feszültséghez ( Z ), ahol a záróirányú áram értéke kezdetben kis mértékben, majd hirtelen növekszik. Ennek oka abban rejlik, hogy a kialakuló villamos tér erıhatása elektronokat szabadít fel kötéseikbıl (Zener-letörés). Dióda záróirányú polarizálása Dióda záróirányú karakterisztikája Félvezetı diódák paraméterei A fent megrajzolt áramkörök segítségével vegyünk fel egy Si és egy Ge-dióda teljes karakterisztikát. A jelleggörbékbıl meghatározható a diódák ellenállása. Két jellegzetes ellenállást különböztethetünk meg, ezek a dióda paraméterei: Egyenáramú ellenállás (R D ): Az egyenáramú ellenállás az origóból a munkapontba húzott egyenes meredekségének reciprokja, értéke D R D =. I D Differenciális ellenállás (r D ): A dióda kis váltó ill. váltakozó áramra való feszültség-változását írja le, nagysága megegyezik a munkaponti érintı meredekségének reciprokjával, értéke term r D =, (ahol szobahımérsékleten term 26mV I D = ) vagy r D D =. I D 6

7 A karakterisztika matematikai jellemzése A dióda áramának feszültségfüggése matematikai alakban: I = I T 1 0 e ahol I 0 a ráróirányú áram értéke, a diódára kapcsolt feszültség, T a hımérsékleti vagy termikus potenciál: T k T q =. - k a Boltzman állandó: k Ws K 23 = 1,38 10, - T a hımérséklet Kelvinben, 9 - q az elemi töltés: q = 1,6 10 As, - T = 26mV szobahımérsékleten, 293 K-en. - A matematikai formula által leírt fizikai viszonyok Ha = 0: e 0 = 1, ezért I = 0. Tehát külsı feszültség nélkül áram nem folyik. Ha < 0: záróirányú feszültség e T = e T = e 1 T 1 I = I 0 1 e T Ha többszöröse T -nek ( T = 26mV), e T 1, reciproka közel nulla, I = I 0. Tehát a záróirányú áram állandó, feszültségfüggetlen. >> T : I = I 0 e T Tehát nyitóirányban az áram exponenciálisan növekszik. A karakterisztika lineáris és letörési szakaszát nem jellemzi az egyenlet, mert ezekben a tartományokban nem a PN átmenet szabja meg az áram értékét. A lineáris tartományban a nyitott PN átmenet ellenállása, a letörési tartományban a téremisszió vagy a lavinaeffektus határozza meg az áramot. Félvezetı diódák teljes karakterisztikája A nyitóirányú karakterisztika felvétele A záróirányú karakterisztika felvétele 7

8 A dióda teljes karakterisztikáját négy különálló tartományra bonthatjuk. Germánium és szilíciumdiódák jelleggörbéi I. letörési tartomány: ennek a tartománynak az a jellegzetessége, hogy kis záróirányú feszültségváltozás hatására nagy áramváltozás következik be. Az egyenáramú és a differenciális ellenállás értéke gyakorlatilag nullának tekinthetı. A PN-átmeneten átfolyó záróirányú áram igen nagy értékő is lehet, amit feltétlenül korlátozni kell. II. lezárási tartomány: a jelleggörbe ezen részén a kis értékő visszáram telítési jelleget mutat, azaz értéke nem függ a záróirányú feszültség változásától. A visszáram értéke Ge-diódák esetén µa, míg Si-diódák esetén na értékő, mely áram a félvezetı anyag saját vezetıképességének tulajdonítható. A diódák ellenállása ezen tartományban nagyon nagy értékő, Ge-diódák esetén akár 10 MΩ, míg Si-diódák esetén a 3000 MΩ-ot is elérheti. A dióda egyen és váltakozó feszültség esetén is szakadásként viselkedik. III. nyitóirányú tartomány exponenciális szakasza: a nyitófeszültség értéke még nem haladja meg a diffúziós feszültség értékét. Ennek köszönhetıen a PN-átmenet ellenállása meglehetısen nagy értékő, amely a nyitóirányú feszültség növelésével folyamatosan csökken. Ez, az áram exponenciális változását okozza. A diffúziós feszültség értéke Ge-diódáknál kb. 300 mv, míg Si-diódáknál kb. 700 mv. IV. nyitóirányú tartomány lineáris szakasza: a nyitófeszültség értéke nagyobb, mint a diffúziós feszültség. Ezért a dióda vezeti az elektromos áramot, kis értékő 1 100Ω ellenállásként viselkedik. A diódán folyó nyitóirányú áram értéke csak kis mértékben függ a nyitóirányú feszültség változásától. 8