DR. KOVÁCS ERNŐ ELEKTRONIKA II. (DISZKRÉT FÉLVEZETŐK, ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET

Hasonló dokumentumok
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Fermi Dirac statisztika elemei

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Elektronegativitás. Elektronegativitás

ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

Elektromos vezetés, mágneses ellenállás és Hall-effektus vizsgálata félvezetőkben

Villamos tulajdonságok

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

1. SI mértékegységrendszer

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

XXV. ELEKTROMOS VEZETÉS SZILÁRD TESTEKBEN

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Elektromos áramerősség

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Villamos tulajdonságok

XI. előad április 22. Definíci. Elektromos tulajdonságok: az anyagok elektromos tér hatására adott válasza

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Vezetők elektrosztatikus térben

Elektronika Alapismeretek

-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

Félvezetk vizsgálata

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

6. Félvezető lézerek

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Érzékelők és beavatkozók

Elektromos alapjelenségek

A kémiai kötés magasabb szinten

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Mérés és adatgyűjtés

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

Elektromágneses hullámok

Villamos tér. Elektrosztatika. A térnek az a része, amelyben a. érvényesülnek.

Az anyagok vezetési tulajdonságai (segédanyag a "Vezetési jelenségek" című gyakorlathoz)

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Az elektromágneses tér energiája

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Alapfogalmak. Szigetelők. Ohm törvény: j = E = 1/ Vezetők - szigetelők. [ cm] -1. Ag, Cu, Al. Fe, Ni. Félvezetők Ge, Si. üvegek, polimerek kerámiák

Kötések kialakítása - oktett elmélet

Vezetékek. Fizikai alapok

5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK, VEZETŐK

A napelemek fizikai alapjai

Pótlap nem használható!

BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Trendek az anyagtudományban Vezetési jelenségek Dr. Mészáros István 2013.

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Speciális passzív eszközök

Elektromos vezetési tulajdonságok

Nanoelektronikai eszközök III.

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:


8. Mérések napelemmel

A kémiai kötés magasabb szinten

Galvanomágneses jelenségek

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

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

ELLENÁLLÁSOK HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE. Az ellenállások, de általában minden villamos vezetőanyag fajlagos ellenállása 20 o

Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013.

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Elektromos áram, áramkör, kapcsolások

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Mit mond ki a Huygens elv, és miben több ehhez képest a Huygens Fresnel-elv?

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Modern fizika laboratórium

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

A FÉMES KÖTÉS ÉRTELMEZÉSE A SZABADELEKTRON MODELL ALAPJÁN

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Zárthelyi dolgozat I. /A.

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Elektromos áram, egyenáram

PN átmenet kivitele. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

Diszkrét aktív alkatrészek

Fizikai kémia Részecskék mágneses térben, ESR spektroszkópia. Részecskék mágneses térben. Részecskék mágneses térben

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Hőmérsékleti sugárzás

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Átírás:

MISKOLCI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI INTÉZET ELEKTROTECHNIKAI- ELEKTRONIKAI TANSZÉK DR. KOVÁCS ERNŐ ELEKTRONIKA II. (DISZKRÉT FÉLVEZETŐK, ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET 2003.

2.0. Diszkrét félvezetők és alkalmazásaik A fejezet összefoglalja a legfontosabb ismereteket a diszkrét félvezető alkatrészekről és alkalmazásaikról. Kiemelten tárgyalja a lineáris alkalmazásokat, elsősorban is a diszkrét elemekkel felépített félvezetős erősítőket. A fejezet a diszkrét alkatrészek közül nem foglalkozik a teljesítmény-elektronikai alkatrészekkel és alkalmazásaikkal, az optoelektronikai alkatrészekkel és a speciálisan csak nagyfrekvencián használt alkatrészekkel, mivel ezeket egyéb tárgyak, anyagrészek, vagy fejezetek tartalmazzák. Az egyes elektronikai elemek tárgyalásánál elsősorban az alapvető működésén túl- a legjellemzőbb paraméterek megismerése és értelmezése a cél. A diszkrét alkatrészek családja jelentős számú alkatrészből áll, amelyből a fejezet csak a legjellemzőbb alkatrészeket emeli ki a teljesség igénye nélkül. 2.1. Félvezető-elmélet alapjai Az elektronika oly mélységig tárgyalja az elektronfizika vonatkozó tárgyköreit, ameddig az szükséges ahhoz, hogy megértsük a félvezetőkben lezajló alapvető fizikai folyamatokat, a félvezetők működését befolyásoló hibákat és a hőmérséklet hatását, mivel ezek közvetlen hatással vannak az egyes elektronikai kapcsolások tulajdonságaira. A témakörhöz kapcsolódó mélyebb, részletesebb ismereteket a fizika egyes fejezetei (szilárdtestfizika és az elektronfizika) nyújtanak (lásd ajánlott irodalom). A kristályos szilárd anyagokban a kötött rácsrészecskék környezetében szabad elektronok találhatók. A szabad elektronok mennyisége dönti el, hogy az adott kristályos anyag milyen villamos tulajdonsággal rendelkezik, pl. vezető vagy szigetelő. A vezetésben csak a szabad elektronok vesznek részt. Potenciális energia Az atomhoz kötött elektronok meghatározott diszkrét energiaszinteket/pályákat tölthetnek be. A diszkrét energiaszintek energiája meghatározható a magtól vett távolság függvényében, figyelembe véve, hogy az elektronok pályasugara (r) csak egy egész szám (n) négyzetével lehet arányos: n 2 4 mz q 1 8ε h n () r = 2 2 2 o ahol, m az elektron tömege, q az elektron töltése, Z rendszám, ε o a vákuum permittivitása, ħ a Planck-féle állandó. Az n kis egész szám n=1,2,3. n (r) n (r) r r potenciálgát Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II.) 2

Az ábrán azt az esetet ábrázoltuk, amikor az atomok rácstávolságnyira vannak egymástól. A szaggatott vonal határolja azt a potenciálisenergia-teret, amelyben elektron nem tartózkodhat. Az így létrejövő potenciálgátak a klasszikus fizika szerint megakadályozzák az elektronok szabad mozgását a térben, azonban a kvantummechanika szerint az alagúthatás révén az elektronok egy része mégis átjut. A meghatározott diszkrét energia pályák felhasadnak és nagy számú szint lehetséges egymáshoz viszonylag közel. Ezek a szintek (amelyek továbbra is diszkrétek) képeznek egy energia sávot. Az energia sávok között tiltott energia sávok helyezkednek el, amelyben elektron nem tartózkodhat. A sávok közül az utolsó részben vagy teljesen betöltött sávot vegyértéksávnak, míg az első nem betöltött vagy csak kis mértékben betöltött sávot vezetési sávnak nevezzük. A vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti tiltott sáv nagysága jellemzője a vezető, félvezető és szigetelő anyagoknak. A vezető anyagok teljesen betöltött vegyértéksávú, üres vezetési sávú és 3 ev-nál kisebb tiltott sávszélességű anyagok. Ha a tiltott sáv szélessége 5..8 ev, akkor az anyag szigetelő. A kettő közötti helyezkednek el a félvezetők. Pl. a szokásos félvezető anyagoknál a tiltott sáv szélessége: Si esetén 1.1 ev, Ge esetén 0.72 ev, GaAs esetén 1.3 ev. Az energiasávok alapján lehet a legegyszerűbben modellezni a félvezetők működését. Sávelméleti alapok A félvezető anyagokban a tiltott sáv szélessége elegendően kicsi ahhoz, hogy már szobahőmérsékleten a vegyértéksávból elektron lépjen ki és a vezetési sávba kerüljön. A kilépett elektron (n) helyén elektron hiány lép fel, ami pozitív töltést (p) jelent ezt hívjuk lyuknak. Az elektron gerjesztés hatására bekövetkező kiszakadását a kötött rácsszerkezetből párképződésnek (generációnak) a visszatérését rekombinációnak nevezzük. A generáció során lyuk-elektron pár keletkezik, a rekombináció során azonban egy lyuk-elektron pár megsemmisül. Egy adott hőmérsékleten a töltéssűrűség egyensúlyban van, azonos számú generáció és rekombináció zajlik le. Termikus gerjesztés esetén tehát mindig azonos számú elektron és lyuk keletkezik. generáció rekombináció Vezetési sáv üres Tiltott sáv Vegyértéksáv teljesen betöltött Az elektronok generációja és rekombinációja azonban nem minden anyagnál ilyen direkt folyamat. A félvezetőket aszerint is csoportosíthatjuk, hogy az elektronok gerjesztése (foton abszorpció) ill. generációja (foton kisugárzás) közvetett (indirekt félvezetők) vagy közvetlen (direkt félvezetők) átmenettel történik-e. Direkt félvezetők esetén a k hullámszámvektor (az elektromágneses tér terjedési irányába mutató, a frekvenciával arányos vektor) nem változik meg, míg indirekt félvezetők esetén megváltozik. A fenti sávszerkezeti modellel szemben a vezetési sáv alsó és a vegyértéksáv felső nem párhuzamosan fut egymással, hanem a Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II.) 3

hullámszámvektorral változik. A generációs és rekombinációs folyamatok ott zajlanak le, ahol az a legkisebb energiaváltozással történik. Direkt félvezetők g = h ω, ahol g a tiltott sáv energia szélessége. g Vezetési sáv alsó g A vegyértéksáv felső k A vezetési sáv alsó széle ugyanahhoz a k hullámszám-vektorhoz tartozik, mint a vegyértéksáv felső széle. Ilyen félvezető, pl. GaAs, InSb, GaSb, stb. A direkt félvezetők az energiát elsősorban a fénytartományba tartozó hullámsávban (foton kisugárzás) sugározzák ki. Indirekt félvezetők hω = + hω, g ahol g a tiltott sáv energia szélessége, ħω a foton energia, ħω a fonon energia. g Vezetési sáv alsó A vegyértéksáv felső szintje A vezetési sáv legalacsonyabb eltérő k hullámszám-vektorhoz tartozik, mint a vegyértéksáv felső. Ilyen félvezető, pl. Si és Ge alapú félvezetők. Az indirekt félvezetők az energiát elsősorban a hő-tartományba tartozó hullámsávban (fonon kisugárzás) sugározzák ki. k Fermi szint ( F ) 0 K felett az elektronok az egyes energia szinteket különböző valószínűséggel (p) töltik be. A betöltési valószínűséget a Fermi-Dirac eloszlási függvénnyel határozzák meg. p = 1+ e 1 F kt k a Boltzmann állandó, T a hőmérséklet [K] Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II.) 4

T=300 [K] T=0 [K] F 0 0.5 1 p A Fermi-szint definíciója: 1. Az az energiaszint, amelyet a szabad elektronok 50% valószínűséggel töltenek be. 2. Az a maximális energiaszint, amelyet az elektronok 0 K -on még betölthetnek. A Fermi-szint jelentőségét az adja, hogy az egyes anyagok energia szerkezet szempontjából- a Fermi- szintjükkel kapcsolódnak egymáshoz. A félvezetőanyagok fajlagos vezetőképessége(σ) függ az elektron (n(t)) ill. lyuk (p(t)) koncentrációtól és az elektronok (µ n ) illetve lyukak (µ p ) mozgékonyságától. Az elektronok mozgékonysága nagyobb, mint a lyukak mozgékonysága (pl. szobahőmérsékleten Si esetén 2.6-szor, míg GaAs esetén 22-szer nagyobb). A mozgékonyság is hőmérsékletfüggő. A lyukak és az elektronok mozgása ellentétes irányú, amely a lyukak definíciója és keletkezési mechanizmusa alapján érthető. A differenciális Ohm-törvény a mozgékonyság és a töltéshordozó koncentráció alapján felírható: σ = q J = σe ( nµ + pµ ) n p J az áramsűrűség. A térerő (E) hatására létrejött áramot drift áramnak nevezzük. Intrinsic (saját) félvezetők A nagytisztaságú félvezetőkben termikus gerjesztés hatására létrejött vezetést sajátvezetésnek, az ilyen típusú félvezetőt sajátvezetőnek (intrinsic) nevezzük. A sajátvezetés és a saját töltéshordozó sűrűség is nagy mértékben függ a tiltott sáv szélessége és a hőmérséklet viszonyától ( /T). Ha ez a hányados kicsi, akkor a saját töltéshordozó sűrűség is kicsi és a vezetőképesség is kicsi. A sajátvezetés töltéssűrűség koncentrációja kicsi és erősen hőmérsékletfüggő (mivel maga a hőenergia váltja ki), ami hátrányos a stabil vezetés szempontjából, ezért a gyakorlatban szennyezett félvezetőket használunk, de a saját vezetés, mint fizikai jelenség minden 0 K hőmérséklet felett üzemelő félvezetőben fellép. Léteznek félvezetők, amelyekben szándékosan hozunk létre intrinsic réteget, hogy a félvezető bizonyos a felhasználás szempontjából fontos- tulajdonságait erősítsük (pl. pin-dióda). Szennyezett félvezetők (extrensic félvezetők): A félvezető alapanyagok (Si, Ge, GaAs, SiC, stb.) 4 vegyértéke stabil kovalens kötésű rácsszerkezetet eredményez. A félvezető alapanyagokhoz adalékolt 5 vegyértékű anyag azt eredményezi, hogy egy szabad (le nem kötött) elektron keletkezik minden szennyező atomra. Ez elektron többletet Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II.) 5