FÉLVEZETŐK Boros Alex 10AT
Definíció Félvezetőknek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik. A félvezetők fajlagos elektromos vezetése közönséges hőmérsékleten 10-9 10 3 1/Ωcm, azaz gyengén vezetik az áramot és nem jók szigetelőnek sem. Nagyon alacsony hőmérsékleten a félvezető szigetelőként viselkedik, de szobahőmérsékleten sajátvezetésük van. A másik jellemző tulajdonságuk az ellenállásuk hőfokfüggése. A félvezetők ellenállása a hőmérséklettel exponenciálisan csökken. Tehát elektromos ellenállásuk negatív hőmérsékleti együtthatóval (NTC) rendelkezik. Csoportosításuk Vannak elemi félvezető anyagok amelyek tiszta állapotban rendelkeznek a fenti tulajdonságokkal: a germánium (Ge) a szilícium (Si) és a szelén (Se). A szilárd oldat típusú félvezetők: a gallium-arzenid (GaAs), gallium-alumíniumarzenid (GaAlAs), indium-antimonid (InSb), szilícium-karbid (SiC), ólomtellurid (PbTe), stb. Néhány vegyület félvezető tulajdonságokat mutat: ólomszulfid (PbS), a titán-oxid (TiO 2 ) és a réz-oxid (Cu 2 O) műszaki nevén kuprox.
Elméleti meggondolások Jelenleg szervetlen félvezető anyagból készül a legtöbb félvezető eszköz. A félvezető elemek közül a germániumot és a szilíciumot használják a legelterjedtebben. A germánium előállításának kiindulóanyaga a germanit, amelyet bizonyos szénfajták hamujából v. a cinkgyártás melléktermékeiből állítanak elő. A germanitból már germánium készül, amit germániumtetrakloriddá (GeCl 4 ) alakítanak. Ezt a színtelen folyadékot többször desztillálják, és hidrolízissel germániumoxiddá (GeO 2 ) alakítják, amely fehéres színű, nehezen oldható por. A germánium-oxidot hidrogénáramban tiszta germániummá redukálják, és tömbökbe olvasztják. Bár az így kapott germánium kémiailag igen tiszta, félvezető eszközök gyártásához még további tisztításra szorul. A tisztítás következő és egyben utolsó szakasza már nem kémiai, hanem fizikai. Ez az eljárás azon a jelenségen alapul, hogy ha egy olvadékot szakaszosan hagyunk megszilárdulni, akkor a benne levő szennyező anyagok az olvadt részben tömörülnek. Így a már megszilárdult részben százalékosan kevesebb lesz a szennyező anyag, mint az olvadt részben. A germániumot belehelyezik egy csónakba, mely megfelelő átmérőjű kvarccsőben mozgatható. A kvarccsövet két-három, egymástól meghatározott távolságra levő, néhány menetes tekercs fogja át gyűrűszerűen. A tekercseket nagyfrekvenciás árammal táplálják, s az indukciós hevítés következtében a germániumnak a tekercsekbe eső része megolvad, a távolabb eső részei szilárd
halmazállapotúak maradnak. Az olvadt zónákat meg kell védeni a levegő oxigénjétől, ezért hidrogént áramoltatnak át a csónakot körülvevő kvarccsövön. A csónak 10 cm/h sebességű, lassú mozgatásával az olvadt zónák végigvonulnak a csónakban levő germániumrúd egyik végétől a másikig. Az eljárást 10-20-szor mindig ugyanabban az irányban megismételve, a szennyező anyagok a germániumrúdnak az olvadt zónák mozgási irányában levő végében gyűlnek össze. Ezeket a végeket levágják, és újabb rudakba olvasztják. A zónaolvasztásos tisztításban a csónak egyszeri keresztülhúzásával a szennyező anyagok koncentrációja a germániumrúd elejében 3-4 nagyságrenddel csökkenthető. A zónaolvasztásos tisztítás után kapott germánium olyan tiszta, hogy gyakorlatilag csak saját vezetést (félvezető) mutat; benne 1O 8-10 9 germániumatomra esik csak egyetlen szennyező atom. Ez a germánium már alkalmas dióda v. tranzisztor gyártására. A tranzisztorgyártásra már alkalmas germánium rudakat tégelyekben megolvasztják, és az olvadékba belemártanak egy germánium magkristályt. A magkristály lassú kiemelésével az olvadékból monokristályt húznak. Húzás közben történik a szükséges szennyező anyagok (akceptor v. donor anyagok) ellenőrzött és mennyiségileg meghatározott adagolása az olvadékba. Így a kristályhúzással kapott germánium egykristály a szennyező anyag vegyértékétől függően p- v. n-típusúvá lesz. Darabolás után következik a dióda v. a tranzisztor gyártása. A félvezető vegyületek száma elvileg több ezer. Közülük a gallium-arzenid, és kisebb mértékben a gallium-
antimonid alkalmas diódák és tranzisztorok gyártására. A kadmium-szulfidot (CdS) fotoellenállások gyártására használják. Szerves, vagy szervetlen? Újabban a félvezető-kutatásban egyre nagyobb szerepük van a szerves félvezető anyagoknak. A szerves félvezető kristályok molekuláit a szervetlen félvezetőkkel ellentétben - általában igen gyenge erők tartják össze. A szervetlen elektromos tulajdonságait a molekuláik közötti kötésekből kilépő elektronok száma és mozgékonysága határozza meg. A szervesfélvezető anyagok többnyire makromolekulákkal rendelkeznek. A gyakorlati felhasználásukban az a legnagyobb probléma, hogy lényegesen kisebb bennük az elektronok mozgékonysága, mint a szervetlen félvezetőkben. Ezért a szerves félvezető anyagokkal végzett kutatások ma még biológiai szempontból jelentősebbek. mint fizikai szempontból. Ezekkel az anyagokkal tanulmányozni lehet a sejt működését, az élő szervezet funkcióit, biológiai modellkísérleteket lehet végezni velük, és több jel szerint segítséget nyújthatnak az élő szervezetben lezajló energiaforgalom és információáramlás tanulmányozásához.
Bipoláris Tranzisztor A tranzisztor két p-n átmenetet tartalmazó félvezető eszköz. A pnp tranzisztor két p-típusú réteg között egy n-típusú réteget, az npn tranzisztor pedig két n- típusú réteg között egy p-típusút tartalmaz. A szilícium npn planár tranzisztor pl. úgy készül, hogy egy viszonylag gyengén adalékolt (1014 atom/cm3) n- típusú Si szeletből kiindulva, arra szilíciumdioxid réteget növesztenek. A szigetelő rétegbe ablakokat vágnak, és most egy bórüveg-réteget növesztenek a szeletre. Az ablakok felett a növesztést követő hőkezelés során bóratomok diffundálnak az üvegből a Si-ba, úgy, hogy az ablakok alatt létrejön egy p-n átmenet, és a kristály felszíne p-típusúvá válik, kb. 1015 atom/cm3 adalékkoncentrációval. A bórüveg rétegbe is újabb ablakokat vágnak, és most foszforüveget növesztenek a szelet felületére, a növesztés után egy újabb diffúziós lépést alkalmazva. Most a p-típusú tartományba diffundáló foszforatomok hozzák létre a második p-n átmenetet, és a foszforüveg-réteg alatt a kristály újból n-típusú lesz, a szennyezőkoncentráció itt 1018-1019 atom/cm3. A leggyengébben adalékolt alapréteg lesz a tranzisztor kollektora, a középső réteg, melynek vastagsága mm nagyságrendű, a bázis, és a legerősebben adalékolt tartomány lesz az emitter. Minden tartományban ablakot nyitnak a kontaktusok számára, és az ablakokba fémet párologtatnak. A szeletet azonos darabokra szétvágják, egy darabka, a chip, melynek mérete pár tized mm, tartalmazza a tranzisztor kollektorát, bázisát és emitterét. A fémezésekhez vezetékeket forrasztanak, ezek csatlakoznak majd a tranzisztor lábaihoz, végül az eszközt tokba helyezik.
Kapcsoljunk egy npn tranzisztor p-n átmeneteire feszültséget úgy, hogy UBE > 0,7 V, UCB > 1 V legyen. Nézzük meg, mi történik! A bázis-emitter diódára nyitóirányú feszültséget adtunk, ezért ott megindul az áram. Mivel az emitter sokkal szennyezettebb, mint a bázis, az áramot főként az emitterből a bázisba belépő elektronok szállítják. Azt várnánk, hogy ezek az elektronok a bázis kivezetésén eltávoznak, és mivel a bázis-kollektor dióda záróirányú feszültséget kap, a kollektor-vezetéken nem folyik áram. Csakhogy a bázis igen vékony, és az elektronok kisebbségi töltéshordozók a bázisban! Számukra a báziskollektor határréteg nyitott, itt akadálytalanul áthaladnak, és belezuhannak a kollektorba, ami -mint a neve is mutatja- összegyűjti ezeket. Tehát a tranzisztorban az emittert elhagyó és a bázisba belépő elektronok majdnem teljes áramát a kollektor összegyűjti és csak a maradék -mely a teljes áramnak csak néhány százaléka (vagy csak 1-2 ezreléke)- adja a bázisáramot. Ezt a jelenséget -melynek lényege, hogy az elektronok egy n- tartományból egy vékony p-tartományon át egy záróirányban előfeszített határrétegen egy másik n-tartományba jutnak- nevezzük tranzisztoreffektusnak. A tranzisztornak az a tulajdonsága, hogy a kollektoráramot főleg az emitteráram, illetve a bázisáram határozza meg, a bázis-kollektor feszültség (ha meghaladja a kb. 1 V küszöbértéket) csak kissé befolyásolja. Mi történik, ha most az UBE feszültséget kissé megnöveljük? Az UBE növekedése az IE emitteráramban nagy változást okoz. Az emitterből a bázisba belépő elektronokat a bázis-kollektor átmeneten kialakult térerősség átsöpri a kollektorba, kivéve a kb. századrésznyi, a
bázisvezetéken elszivárgó töltéshordozót. Ez azt jelenti, hogy a bázisfeszültség kis változása, mely kis bázisáram-változásnak felel meg, nagy változást okoz a kollektoráramban. Tehát a tranzisztor áramot erősítő elem, mivel a bázisvezetéken létrehozott kis IB áramváltozás a kollektorvezetéken két-három nagyságrenddel nagyobb IC áramváltozást ad. A tranzisztorral azonban feszültségerősítés is megvalósítható. A kollektort egy ellenálláson keresztül kötve a telepre, a nagy kollektoráram-változás az ellenálláson nagy feszültségváltozást hoz létre. Ezzel a kollektor és a bázis közötti feszültség csökken, de ez nem befolyásolja számottevően a kollektoráramot. A kollektoráram csak akkor csökkenne, ha a kollektorbázis diódára a küszöbértéknél kisebb feszültség jutna, mely már nem lenne elég a bázisba jutott kisebbségi töltéshordozóknak a kollektorba vonzásához. Ha a 8. ábrán látható tranzisztor n-rétegeit p-re, a p-rétegét n-re cseréljük, egy másik típust, az úgynevezett pnp tranzisztort kapjuk. Működése az npn tranzisztoréval azonos, azzal a különbséggel, hogy itt az elektromos áramot a lyukak mozgása hozza létre, így a tranzisztorra ellentétes polaritású feszültségeket kell kapcsolnunk, mint az előző esetben.
FORRÁSOK http://www.kislexikon.hu/felvezeto_anyagok.html http://www.fke.bme.hu/oktatas/meresek/4.pdf https://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a9lvezet%c5%91
TARTALOMJEGYZÉK Definíció... 1 Csoportosításuk... 2 Elméleti meggondolások... 3