FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás
FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK A leggyakrabban használt félvezető anyagok a germánium (Ge), és a szilícium (Si). Félvezető tulajdonsággal rendelkező elemek: szén (C), ón (Sn), bór (B), arzén (As), antimon (Sb), tellúr (Te) ALAPFOGALMAK Egykristály: A germánium vagy szilícium feldolgozása közben külön technológiai fázis során gondoskodnak arról, hogy a megszilárduló anyag egyetlen mag folytatásaként rendezetten épüljön fel (húzás, növesztés). Így alakul ki a hibátlan kristály szerkezetet alkotó atomok térbeli hálózata. A Ge és a Si 4-4 valencia-elektronnal rendelkezik és tetraéderes (gyémántrács) szerkezetben kristályosodnak. Minden atom a körülötte levő társa felé egy-egy elektronnal köti magát, így egy kötést két elektron alkot.
1. ábra Szilícium egykristály síkban kiterített egyszerű képe.
Sávszerkezet: A Pauli elv alapján a kristályt alkotó atomok elektronjai nem lehetnek azonos kvantumállapotban, azaz egy atomban nem található két olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma megegyezne. Ezért az egyedülálló atomra jellemző vonalas kvantumállapot kép nagy számú atom esetén sávokká szélesedik. vegyértékötési (valencia) sáv, amely a kémiai kötésekben részt vevő elektronok energianívóinak sávja; vezetési (konduktancia) sáv, amely a kötésekből kiszabadult mozgásképes elektronok lehetséges energiaértékeit fogja át. A két sáv között levő tiltott sáv olyan energiaszinteket tartalmaz, amelyeket a hibátlan egykristály elektronjai nem vehetnek fel. (Fémeknél a vegyértékkötési sáv és a vezetési sáv átlapolja egymást.)
2.ábra Az energiasávok szerkezete
A szilárd anyagokat a tiltott sáv szerint a következőképpen osztályozhatjuk: Vezetők: a tiltott sáv szélessége közel nulla (<0,2 ev),sok elektron van a vezetési sávban. Félvezetők: a tiltott sáv meglehetősen széles (0,7 1,2 ev). Szobahőmérsékleten, vegytiszta állapotban csaknem szigetelők. Növekvő hőmérséklettel, és szennyezéssel lehet növelni a vezetőképességüket. Szigetelők: olyan széles a tiltott sáv, hogy (egy bizonyos határig) hiába közlünk vele energiát, csak elhanyagolható mennyiségű elektron jut a vezetési sávba. 1eV=1,6 10-19 J
Adalékolt (droppolt) félvezetők A töltéshordozók számát lehetőleg hőmérséklet függetlenül kell megnövelni. A szándékosan beépített anyagokat összefoglaló névvel droppoló anyagoknak nevezzük. A kristályba beépíthetünk: Donorként (ötvegyértékű) antimont (Sb), foszfort (P), arzént (As). ( n típusú szennyezés) Akceptorként (háromvegyértékű) galliumot (Ga), indiumot (In), bórt (B), alumíniumot (Al). ( p típusú szennyezés) A donor, adományozót, az akceptor elfogadót jelent. 59.
59. 3. ábra A droppolás egyszerű képe donor adalékok esetén 4. ábra A droppolás egyszerű képe akceptor adalékok esetén A donorszennyezésű félvezetőt N-típusúnak, az akceptor szennyezésű félvezetőt P-típusúnak nevezzük.
PN ÁTMENET Az egyidejűleg kéttípusú töltéshordozóval működő félvezetőeszközöket bipoláris félvezetőknek nevezzük. 5. ábra P és N típusú félvezető hasábok 60.
Ha ezeket kapcsolatba hozzuk úgy, hogy nem sértjük meg az egykristály-rendszert, vagyis a kovalens kötésrend folytonos lesz a PN-átmenet síkján, akkor a mozgékony lyukak és elektronok igyekeznek a rendelkezésükre álló teret egyenletesen kitölteni. Ez addig tart, míg a helyhez kötött ionok ezt meg nem akadályozzák. 6. ábra PN átmenet 60.
FÉLVEZETŐ DIÓDÁK Az előzőekben tárgyalt P- és N-szennyezettségű rétegekből álló, kivezetésekkel ellátott kristályt diódának nevezzük. Ha a dióda kivezetéseire egyenfeszültséget kapcsolunk úgy, hogy a negatív sarka a P-réteghez (anód), pozitív sarka az N-réteghez (katód) kapcsolódik, akkor ez az ún. záróirányú feszültség megnöveli a potenciálgátat. A P-rétegre kapcsolt pozitív feszültséggel, azaz nyitóirányú előfeszítéssel csökkentjük a potenciálgátat, azaz a kiürített réteget. Nyitóirányú feszültség növelésével az áteresztő irányú áram gyorsan nő, míg záróirányú feszültség esetén az áram már kis feszültség hatására is telítést mutat.
7. ábra A dióda jelleggörbéje, és karakterisztikájának jellegzetes tartományai 61.
8. ábra A dióda rajzjele
9. ábra A Si- és Ge-diódák jelleggörbéi.
A dióda-karakterisztika egyenlete ahol, U T = I kt q U U T = I e 1 0 62. - termikus feszültség. Szobahőmérsékleten U T =25 mv
63. 10. ábra A dióda ellenállás jellemzői. Egy adott U F feszültségnél I F áram folyik, akkor az hányados dióda statikus ellenállását adja. R = F U I F F A változások hatására mutatott dinamikus vagy váltakozó áramú ellenállás értéke eltér az egyenáramú értéktől: r F = du di
DIÓDÁS EGYENIRÁNYÍTÓK Egyfázisú egyutas egyenirányító kapcsolás 91.
Egyfázisú középkivezetéses kétutas egyenirányító kapcsolás 92.
93. Greatz diódakapcsolás
Háromfázisú, egyutas egyenirányító kapcsolás D 1 D 2 D 3 94.
95. Háromfázisú, kétutas egyenirányító kapcsolás