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