Tartalom 1. Bevezető... 2 2. Félvezetők vezetési mechanizmusa... 2 3. Félvezető anyagok szerkezete vezetési mechanizmus... 3 3.1 Félvezető anyagok szerkezete... 3 3.2 A félvezetők saját vezetése... 4 3.3 A szennyezett félvezető... 6 4. Félvezető dióda... 10 4.1 A dióda lapkaszerkezete... 10 4.2 A dióda áramköri viselkedése.... 11 ANALÓG FÉLVEZETŐ ÁRAMKÖRÖK 2015 év Írta és szerkesztette: informatikus, tanár
1. Bevezető A címben megadott összefoglaló témaként az analóg áramkörök félvezetőkkel megvalósított változataival foglalkozom. Analóg áramkörön az olyan áramkört értem, aminek létrehozásával analóg jelek átvitelét valósítjuk meg. Az elektronika elméletben vizsgáltuk az anyagokat elektromos vezetési tulajdonságuk szerint. Megállapítást nyert, hogy vegyérték elektronjainak kötődése a vegyértéksávhoz különböző értékű energiaszintekkel mérhetők. Az energiaszintekkel jellemzett anyagokat három csoportba soroltuk, úgymint vezetők, félvezetők és szigetelők. Mindhárom vezetési tulajdonsággal rendelkező anyagot használjuk az elektromos készülékek megvalósításakor. A félvezetők felfedezése és gyártási problémáinak megoldása egyre inkább csökkentette a villamos-, elektromos készülékek méreteit és energiafelhasználását. A félvezetők felfedezése és gyártása vezetett el a mai technológia kialakulásához, új készülékek megjelenéséhez. Az új alkatrészek kiváltották a régieket, legnagyobb felhasználás váltása az elektroncsövek területén következett be. Mondhatjuk azt is, hogy a mai napra az elektroncsövek alkalmazása inkább nosztalgia mintsem követendő modernizációs feladat. 2. Félvezetők vezetési mechanizmusa Az anyagok halmazállapot szerint négy nagy csoportba sorolhatók, ezek a gáz, a folyadék a plazma és a szilárd. Most a szilárd anyagokkal foglalkozunk, amelyek szerkezetét elemi részeinek (egy vagy több atom) rendezettsége határoz meg. A szilárd anyag elemi részeinek rendezettség lehet rövididejű, ezek az anyagok az amorf szerkezetű anyagok és lehet hosszú távú rendezettségű, ezek a kristály szerkezetű anyagok. A kristályszerkezetű anyagokat tovább csoportosíthatjuk, polikristályra és monokristályra. A félvezető anyagok monokristály szerkezetűek, amire jellemző a rácsszerkezete. A rácsszerkezetet ekvivalens pontokkal rendelkeznek, ezekben egy atom helyezkedik el, a szomszédos ekvivalenspontot térben összekötő vektorait rácscellának illetve elemi cellának nevezzük. A rácsszerkezetben felfedezhetünk szimmetriákat, ha egy rácsvektornyi eltolást alkalmazunk, akkor ugyanazt a rácsszerkezetet kapjuk. A kristályszerkezet ekvivalens pontjaiban elhelyezkedő atomok adják a bázispontjait, a legközelebbi bázisponthoz irányított vektort rácsszerkezetnek nevezzük. A felhasznált félvezető anyagok germánium (Ge) szilícium () kristályszerkezete lapközepes köbös, ami jelent egy olyan kockát, aminek csúcsaiban (ez a bázis) és lapközepén egy-egy atom helyezkedik el. Ilyen szerkezete van a gyémántnak is. Az atomot elhelyezkedését az ábrán látjuk a csúcsokon és lapközépen. Lapközépen lévő atom a legközelebbi 4 csúcsatomhoz kapcsolódik, távolsága a térátló 1/4 e. A térbeli ábrázolás helyett a 1. ábra kétdimenziós ábrázolásban átláthatóbban ismertethető a félvezető anyagok vezetési mechanizmusa. A félvezető anyagok a periódusos rendszer IV. A. oszlopának elemei, a szén (C), szilícium (),germánium (Ge), ón (Sn) és az ólom (Pb). További félvezető tulajdonságú elemet, vegyületet és szerves anyagot ismerünk, most a két igen elterjedt elem a germánium (Ge) és a szilícium ( ) alapú félvezetők tulajdonságait vizsgálom. Az anyagok energia sávszerkezete három energia szintre egyszerűsíthetők, amit a vegyérték- vagy valencia sáv, a tiltott-, és a vezetési sáv alkot.
Energia Békéscsaba vezető < 0,2 ev félvezető 0,7..1,2 ev 2. ábra szigetelő >1,5 ev Vezetési sáv Tiltott sáv Vegyérték sáv A tiltott sáv nagysága határozza meg az anyagok vezetési tulajdonságait. A vezetők, ilyenek a fémek, a tiltott sáv átlépéséhez szükséges energia közel nulla, normál szobahőmérsékleten 20-22 0 C nagy mennyiségű elektron tartózkodik a vezetési sávban. A félvezetők vezetése normál szobahőmérsékletnél nem jön létre, szigetelőként viselkednek, szabad elektronja nem tartózkodnak a vezetési sávban. Vezetővé válását anyagára jellemző értékű gerjesztés hozza létre, vagy szennyezéssel viszünk be vezető töltéseket. A szigetelők villamos töltéseket nem juttatnak a vezetési sávba, ezért vezetés nem alakulhat ki. A szigetelő anyagok gerjesztéskor sem válnak vezetővé, ha igen akkor maradandó károsodás éri, szigetelő tulajdonságát elveszíti. 3. Félvezető anyagok szerkezete vezetési mechanizmus 3.1 Félvezető anyagok szerkezete A leggyakrabban használt félvezető anyagok a periódusos rendszer IV.A oszlopában lévő elemek közül a germánium (Ge) és a szilícium (). Félvezető tulajdonságot mutató elemek a szén (C), ón (Sn), bór (B), arzén (As), ólom (Sb), tellúr (Te), és a jód (J). A félvezető vegyületek közül a kadmium szulfit (CdS), kadmium - szelenid (CdSe), kadmium - tellurid (CdTe), cinkszulfit (ZnS),cinkoxid (ZnO), cink - szelenid (ZnSe), higany(ii)tellurid (HgTe), ólom(ii) szulfid (PbS), ólom - tellurid (PbTe),réz(II) szulfid vagy rézindigó AM 3. ábra (CuS), réz(ii) oxid vagy kupri - oxid (CuO), réz(i) oxid vagy kupro - oxid (Cu 2 O), gallium - arzenid (GaAs) stb említeném. A félvezető elemek felépítése un. gyémánt típusú, 4 vegyértékű elem. Felhasználása miatt, a leggyakrabban alkalmazott félvezető elem a szilícium. A szilícium rendszáma 14, ami a protonok számát adja. Mivel a protonszám 14 és az atomok villamos szempontból semlegesek, akkor a proton és elektron töltésnagyság egyezősége miatt, az elektronok darabszáma is 14. Az elektronok az atommag környezetében elektron felhőben rendeződnek, amit elektronhéjnak nevezünk. Az elektronhéjon lévő elektronok darabszáma kötött, az első héjon 2, a másodikon 8, a harmadikon 18, a negyediken 32 darab elektron lehet. Az elektronok elhelyezkedése az egyes héjakon a telítettségre törekszik, szilícium esetén a 14 elektron 3 héjon rendeződik el. Az első (2e - ) és
második (8e - ) héj telített, a harmadik héjon 4e - elektron helyezkedik el. Az atommagot és a telített elektronhéjakat együttesen atom törzsnek nevezzük, a harmadik telítetlen héjon lévő 4 atom a molekula vagy vegyületkötésben vesz részt. A szilícium molekula és vegyület atomjai kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A kovalens kötés tulajdonsága, hogy a vegyértékelektronjai helyileg nem atomhoz, hanem molekulához kötött ezért tartózkodási helyük 4. ábra valószínűségét csak molekulaszerkezetben határozhatjuk meg. A szilícium erős kovalens kötéssel épül fel, ahol a rácspontokban elhelyezkedő atomok meghatározott darabszámú irányított kötésűek, így fizikailag kemény anyagot alkotnak. A valencia sáv vagy vegyérték sáv elektronjai a valencia vagy vegyérték elektronok, ezek az elektronok vesznek részt a szilícium molekula vagy vegyület képzésekor. A képzés úgy történik, hogy minden egyes elektron leköt egy-egy atom valencia elektronját és így kialakítják az atomrács szerkezetet. A valencia elektronok kötődése a molekula szerkezethez jellemző, nem kötődnek szorosan a rácspontokban lévő atomhoz, azokat elektronfelhő szerűen veszik körül. Az ábrán csak egy atom kapcsolódását rajzoltam fel, folytatása hasonlóan mehet, mint a középső atom rajzolásakor tettem. A tökéletesen tiszta (intrinsic), rácshibától mentes félvezető anyag elenyészően kismértékben vezet. Ezt a vezetést saját vezetésnek nevezzük. 3.2 A félvezetők saját vezetése Az atomok tulajdonsága, hogy a magtól egyre távolabb lévő elektronjai egyre kisebb erővel kapcsolódnak az atommaghoz. Az atomszerkezetet elhagyó elektron ionizációs energiával rendelkezik, ezt az energiát kell elérnie a vezetési sávban lévő vegyérték elektronnak, a molekularácsból való kilépéshez. A molekularácstól független elektron a vezetési sávba kerül. A félvezető anyagok egyes elektronja az ionizációs energiát már normál szobahőmérsékleten (20-22C o ) eléri, az elektron számának mennyiségét, a hőmérséklet növelésével tehetjük meg. Az ábrán egy elmozdult elektront látunk, ami az atomrács kötésből mozdult el. A kilépő elektron felborította a 5. ábra molekula potenciális egyensúlyát középső atom 4 vegyérték elektronja és az atomtörzsben lévő 10 elektron a 14 protonnal potenciális egyensúlyban van. A szomszédos szilícium atomok atomrács kötései ezt az egyensúlyt nem borítják fel, mivel potenciálisan saját atommagjaihoz kötődnek. Az elektronok valamilyen hatásból eredően változhat a molekulán belüli helyzetük, de ez helyi potenciálváltozást nem okoz. A változás akkor következik be, ha a szomszédos molekula környezetébe kerül az elektron. Ezt nevezzük ionizációs energiának, ahol az eddig semleges atom közül egy atom, töltéssel rendelkező ionra változik. Érthető, hogy az atomrácsban rögzült egy pozitív -ra változik, mivel a molekula egy
atomja, elektronjaihoz képest többlet protonnal rendelkezik. Az atomnak többletprotonnal rendelkező tulajdonságát lyuknak nevezzük. Egyszerűbben fogalmazva az elektron helyén egy semlegességet zavaró lyuk (űr) keletkezett, aminek töltése a többletprotonok miatt pozitív. Az elektron a szomszédos molekula potenciálterébe kerülve szintén felborítja annak semlegességét és egy negatív ion keletkezik. Az előbb leírt rendszer instabil, mert a keletkezett lyuk a szomszédos atomrács kötések elektronjaira vonzó hatást gyakorol, illetve az elektron taszítja a környezetében-, rácskötésben lévő elektronokat. Ha elkészítjük a molekulák potenciális elhelyezkedését, az 5. ábrából kiindulva, akkor eredményül a 6. ábra rajzát kapjuk. Látjuk, hogy a pozitív töltésű részecske a lyuk hatására létrejött szilícium atommag protonja adja, a negatív potenciálú terület pedig a szomszédos molekula környezetében lévő elektron hatására jön létre. Az atomrácsban kis energiával kötődő elektron a pozitív atommag vonzó hatására a szomszédos molekulából átvándorolhat az ionhatású molekulába és ott 6. ábra elfoglalhatja a hiányzó elektron helyét. De a mozgó elektron negatív taszító hatása a szomszédos atomrácsban lévő elektronra is elmozdító hatást fejt ki, kiléptetheti onnan és elfoglalhatja annak helyét. Kellő energia megléte esetén egy folyamatos elektron lyukvándorlás jöhet létre. Az elmondottakból az is kitűnik, hogy az elektron- lyuk száma egyező, tehát amennyi elektron indul el, ugyan annyi lyuk is keletkezik. A lyukak és elektronok nem csak keletkeznek, hanem a pozitív lyukba belépő elektron egymást semlegesíti. Ezt a folyamatot rekombinációs folyamatnak nevezzük. A keletkezett lyuk-elektron pár keletkezés mennyisége a hőmérséklettől függ, a rekombinációs folyamat az elektronlyuk koncentrációnak. Legyen r a rekombinációs tényező a hőmérséklettől függő lyuk-elektron párképződési tényező g(t), akkor a párképződés és rekombinációra a következő egyensúlyi állapot írható fel. g(t ) r n p A képletben az n az elektron, p a lyukak száma. Saját vezetés esetén a lyukak és az elektronok száma egyező, 2 n p n i Változtatva az egyenletet 2 g(t ) r n i A keletkezett töltéspáros g(t ) ni 2 r képlettel számolható, ami jelenti azt, hogy a félvezető egységnyi térfogatában lévő töltéspárok darabszáma a párképződési sebesség g(t) és a rekombinációs tényező r, arányainak függvénye. Az n i t inverziósűrűségnek nevezzük. Az inverziósűrűség szoba hőmérsékleten (300K o o o, ami 0C 274K, 26C o ) 3 germániumban 10 13 3 2,5 cm, szilíciumban 10 10 6,8 cm töltéssűrűség mérhető.
A töltéssűrűségből adódó vezetés (jele: ) számolható. e n p Ahol e elemi töltés nagysága, n az elektron p a lyuk darabszám, n az elektron mozgékonysága: p a lyukak mozgékonysága: n p 2 cm cm Ge: 3900 ; : 1900 Vs Vs cm Ge: 1900 Vs 2 ; : 2 cm 425 Vs A fajlagos ellenállás saját vezetés esetén 300K o -os hőmérsékleten, germániumban Ge : 50 cm, szilíciumban : 63000 cm. 3.3 A szennyezett félvezető A saját vezetésben láttuk, hogy a félvezető vezetése a töltéssűrűségtől függ, minél több töltéspár van egy egységnyi térfogatban annál nagy a - értéke. Két megoldás lehetséges a töltéssűrűség növelésére, töltések bevitelére, ezt nevezzük szennyezésnek, vagy a atomrács hibájának növelésére. Mivel az utóbbi nehezen irányítható, ezért a vezetőképesség növelésére a szennyezést alkalmazzák. Szennyezéssel vagy az elektront (n) vagy a lyukak (p) számát növeljük. Természetesen az inverzió sűrűség n p képlettel számolható, csak az elektron és a lyuk darabszáma nem azonos. Most az inverzió sűrűség a szabad lyukak és elektronok szorzata, amit a párképződési tényező és a rekombinációs tényező határoz meg. g(t ) n p r Szennyezésre, a félvezető elem, periódusos rendszer szomszédos oszlopaiba tartozó atomokat építenek be statisztikusan elosztva- az atomrácsba. A szennyezés mértéke igen kicsi, ha a félvezető atomokhoz 2 képest adjuk meg az értékét, akkor minden százezredikre vagy milliomodikra jut egy szennyező atom. Az n típusú szennyezés Olyan szennyezőanyagot használnak, ahol a szennyező atomnak eggyel több valenciaelektronja van a félvezető atomhoz képest. Ez a periódusos rendszer V.A oszlopa. Az oszlopban a nitrogén (N), foszfor (P), arzén (As), antimon (Sb) és bizmut (Bi) található. Az ábrán az arzént jelöltem be. Az arzén As szennyezőanyag beépül a kristályrácsba. A valencia elektronjai közül 4-et lekötnek a szomszédos felvezető anyag atomjai, de egy elektron nem tud kötést létrehozni. A és Ge félvezető anyagok dielektromos állandói 7. ábra igen nagyok ( Ge 16 és 14 ) ezért már igen kevés W 0,010,04eV energia elegendő ahhoz, hogy a kötésben nem lévő elektron kilépjen az arzén atom hatóköréből. Kilépés után keletkezik egy helyhez kötött pozitív töltésű arzénion és egy mozgó negatív töltésű elektron. A szennyező arzén atomot, mivel negatív töltést ad le donornak (adó), az ilyen szennyezést donorszennyezésnek nevezzük.
Ha megvizsgáljuk a rekombinációs tényezőt, akkor láthatjuk, hogy tetszőleges párképződés esetén mindig többségben marad az elektron, ezért donor szennyezés esetén a többségi töltéshordozó az elektron. Joggal merül fel a kérdés, hogy donor szennyezés esetén, milyen töltésváltozás történik a kifelé semleges szilíciummal. Mivel a szilíciumban 14 proton és 14 elektron van ezért az semleges, az arzén 33 proton és ugyanennyi elektront tartalmaz, ezért semleges. A töltéseloszlás változik anyagon belül, de összességében változatlan marad. A p típusú szennyezés A szennyezést biztosító atomok a III.A oszlop elemei. A periódusos rendszer szerint ezek a bór (B), alumínium (Al), gallium (Ga), indium (In) és a tallium (Ti). A 8. ábrán az indiummal (In) szennyezett szilícium In () félvezetőt látjuk. A szennyező elemek közös tulajdonsága, hogy valencia 8. ábra elektronjuk száma eggyel kevesebb a szilíciumnál. Az indium három vegyértékelektronnal beépül a szilícium atomok közé, de a három vegyértékelektronja kevés a negyedik szilícium atom, atomrács felépítéséhez. Az instabil atomrácsszerkezet negatív hiánytöltést eredményez, amit töltéslyuknak nevezhetünk. Ez a töltéslyuk vagy In 9. ábra egyszerűen lyuk pozitív töltésű. A pozitív töltése miatt vonzó hatással van a környezetében lévő negatív elektronokra. A molekulán kívüli instabil elektronok elfoglalják a pozitív lyuk helyét és ott felépül a potenciálisan semleges atomrács szerkezet. Ez a folyamat a rekombinációs folyamat. A kilépő elektron egy újabb lyukat hoz létre, és ha ez folyamatos tartós elektron kilépést és rekombinációt látunk, akkor úgy tűnhet mintha egy mozgékony lyukvándorlás jött volna létre. A 9. ábrán látható, hogy az indium atom a molekulán kívülről egy elektront fogad, felépülhet a atomrács szerkezete, de egyben az In negatív ionná válik. A negatív ionú indium helyhez kötött, így a vezetésben nem vesz részt, de a vezetés kialakulását elősegítette. Az indium atom negatív ionná válásához egy elektront el kellett fogadnia, ezért az elfogadásért akceptornak nevezzük (elfogadó akceptor), magát a szennyezést pedig akceptor szennyezésnek. Akceptor szennyezéskor a lyukak számát növeljük meg úgy, hogy a vezetést ezek a lyukak határozzák meg. Ezért lyukvezetésről beszélünk, függetlenül attól, hogy hőmérséklet hatására most is keletkeznek termikus töltéspárok, de az itt keletkezett szabad elektronok ugyan annyi lyukat is eredményeznek, tehát a lyuk-elektron egyensúlyt nem borítják fel. Így
elmondhatjuk, hogy akceptor szennyezéskor a többségi töltéshordozók a lyukak, a kisebbségi töltéshordozók az elektronok. Az anyag semleges atomos szerkezete a p szennyezéssel sem változik meg, mivel a szennyezőanyagként használt In proton-elektron egyensúlya semleges maradt az a szennyezési folyamattal sem változott meg. A töltéshordozók mozgása áramlása Szennyezés nélküli félvezetők töltéseloszlása a kristálylapkán egyenletes (homogén) eloszlású, így a töltéseloszlás is egyenletes, azok mozgása véletlenszerű, termikus függőségű. Jelöljük a 10. ábra szerint a töltéseket. Legyenek a mozgékony elektronok jelei a körben írt jel, a lyukak jele + jel. Egyenletes eloszlás esetén a lyukak és elektronok területileg összetartozást, egyenletes eloszlást mutat, így az egyes területek között töltéskülönbség nem mérhető. Külső potenciálteret nem 10. ábra mérhetünk. Szennyezzük a félvezető lapkát donorszennyezéssel, vigyünk be három többletelektront. A szennyezést nem tudjuk homogén eloszlásúvá tenni, így a 10. ábra homogén eloszlása inhomogénné változik. A belső potenciáltér a bevitt szennyező atommal torzulást szenved és ezt a torzulást próbálja a mozgékonyabb elektron egyenletesen kitölteni. Donor- és akceptor szennyezés esetén az elektronok szétáramlásával próbálja homogenizálni a teret, így létre jön a diffúziós áram. A diffúziós áram elindulásával az eddig homogén területek potenciál egyensúlya is felborul. Létrejön egy belső potenciáltér, ami a töltések az eredeti helyükre kényszeríti vissza. Az így kényszerített töltéshordozó mozgást sodródási (drift) áramnak nevezzük. A drift áram tehát belső potenciáltér eredménye, amit a bevitt szennyező atom által okozott diffúziós áram hoz létre. a. ) 11. ábra A 11. ábra a.) része a szennyezett félvezető potenciál eloszlását látjuk. Az ábrarészen nem jelöltem be a bevitt szennyező atomok lokális potenciálhatását. Látjuk, hogy a lapka közepén negatív töltéstöbblet alakult ki és megváltoztatta a 10. ábra semleges eloszlását. Az elektronok taszító hatást fejtenek ki közelségük miatt egymásra, így az elektronok szétáramlása következik be. Mivel az áramlásnak vannak azonos irányú összetevői így kialakul a diffúziós áram. A diffúziós áram eredményként létrejött potenciáltér az elektronokat eredeti helyükre próbálja visszakényszeríteni. Tételezzük fel, hogy a diffúziós áram a 11. ábra b.) állapotát, a 12. ábra a.) részén látható változást eredményezte. A diffúziós áram az elektronokat átrendezve, egy kényszerhelyzetet eredményezett, ahol az elektronok eloszlása a bevitt donorok függvénye szerint rendeződött át. b. )
a. ) b. ) p réteg n réteg 13. ábra A 13.ábra a. ) része a diffúziós áram hatására megtörtént átrendeződés szimbolikus megjelenítése, a b.) ábrarész ennek hatására beinduló sodródási (drift) áram. A szennyezett félvezetőkben lévő donor - és akceptor atomokkal létrehozott vezetést idegen vezetésnek nevezzük. A félvezető anyagokat akkor is nyerünk, ha heteropoláros vegyületeket, vagy szabályozott vegyértékű oxidokat alkalmazunk, amiket termisztorok gyártására használnak. A félvezető vegyületből felépülő hibátlan szerkezetű, nem szennyezett kristályban, az elemi, szerkezeti félvezetőkhöz hasonló- saját vezetést tapasztalunk. A saját vezetés kicsi, növelni valamilyen technológiával p vagy n típusúvá alakítják az addig tiszta (instrinsic) félvezető vegyületet, vagy szennyezést visznek a rácsszerkezetbe. Szennyezőanyagnak egy másik fémoxidot választanak. A leggyakrabban alkalmazott félvezető vegyületek, a rézoxid (CuO), cinkoxid (ZnO), nikkeloxid (NiO), ezüstszulfid (Ag 2 S), titánoxid (TiO 2 ). Talán a legrégebbi az urándioxid (UO 2 ), amit már az 1930-as években termisztorként Urdox ellenállásnéven használtak fel. Ez alapján egy ideig urdox néven gyártottak más anyagból készült termisztorokat. A félvezetőkből különböző, a katalógusokból kiválasztható alkatrészeket gyártanak termisztorok száraz egyenirányítók fényelemek hallotronok félvezető diódák tranzisztorok többrétegű félvezetők 12. ábra 4. Félvezető eszközök, félvezető alkatrészek 4.1 Termisztorok A termisztorok, a hőmérsékletfüggő félvezető ellenállások. A félvezető anyagok vezetőképessége a hőmérséklet növekedésekor exponenciális összefüggés szerint emelkedik vagy csökken. A vezetőképességet a termisztorra jellemző hőmérsékleti együttható jellemzi. NTC (Negative Thermal Coefficient) NTK termisztor Hőmérséklet emelkedése esetén a termisztor ellenállása csökken. Egy adott hőmérséklethez tartozó névleges ellenállásérték meghatározására ad megoldást a következő képlet. (Steinhart and Hart) 2 3 R ( A B / T C / T D / T ) T Rref e Az alkalmazott hőmérséklet értéke.
R T( R ) A1 B1 ln Rref 2 R C1 ln Rref 1 3 R D1 ln Rref A,B,C,D, A 1,B 1,C 1 és D 1 a termisztorra jellemző anyagértékek. R ref a 25 o C-on mért termisztor ellenállásérték, T a hőmérséklet o K-ban. Az adatokat a gyártók megadják. PTC (Positive Thermal Coefficient) PTK termisztor. A hőmérséklet hatására az ellenállás értéke emelkedik. A gyártók a kínált alkatrészhez adatlapot szolgáltatnak, így abból a hőmérséklet értékekhez tartozó termisztor ellenállásértékek meghatározhatók. Jellemző karakterisztikák T PTC /R PTC az ellenállás- hőmérsékletváltozás V PTC /I PTC az áram-feszültség karakterisztika t S /I S kikapcsolási idő az áram függvényében o I R(TA) /I R(25 C) referencia értékhez (25 o C) tartozó termisztor áram a névleges áramértékhez Felhasználási területe fűtőrendszerek és motorvédelem, illetve minden olyan terület, amit adatai felhasználhatóvá tesznek. A T PTC /R PTC karakterisztika három szakaszból tevődik össze, az alsó a kis értékű szakasz, a középső, valamint a felső telített szakasz. Megvizsgálva elmondhatjuk, hogy a kis értékű és telített szakaszok nem lineáris jelleget, míg a középső szakaszban lineáris jelleget mutat. 4.2 Száraz egyenirányítók Az elnevezés abból az időből származtatható, mikor egyenirányításra elektrolitokat ( nedves rendszerek ) is felhasználtak. Félvezető dióda 4.3 A dióda lapkaszerkezete A félvezetőket, p vagy n szennyezés után önmagukban használják fel különböző villamos alkatrészek készítésére, ami lehet fotóellenállás, termisztor, feszültségfüggő ellenállás stb. Leggyakrabban azonban, egy kristályon belül, különböző szennyezésű félvezetőket rendelnek egymáshoz, így kialakítva azok működését. A legegyszerűbb felépítésű eszköz, ahol egy p és egy n szennyezésű részt találunk egy kristálylapon. Legyen egy kristály egyik oldalán p a másik oldalán n szennyezés. A két oldal szennyezés mértéke nem azonos, de ez nem is követelmény. A szennyező réteg határfelületén kialakul egy semleges terület, ami után az eszközön csak egy meghatározott irányban folyhat az áram. Az áram, a töltések mozgása, de ez csak akkor mérhető, ha rendelkeznek akkora energiával, hogy ezen a határrétegen átjutva zárja az áramkört. Nézzük meg részletesen. A 13. ábrán a két különböző szennyeződésű félvezető potenciál eloszlása egyenletes. Látjuk, hogy a p rétegben többségben vannak a lyukak ezt a körbe zárt + jellel jelöltem, az n réteg elektron többletet tartalmaz. Közelítve a két félvezető lapkát az egyensúlyi helyzet felborul. Illesszük össze a p és az n réteget, akkor a viszonylag könnyen mozgó elektronok az n rétegből a félvezető határ mentén a p réteg felé mozdul el, és ha elég energiával rendelkeznek, átlépnek a határrétegen és rekombinálja az ott lévő pozitív töltéseket. A rekombináció miatt a határmentén létrejön egy töltésmentes terület, amit kiürített rétegnek nevezünk.
p n p n 4.4 A dióda áramköri viselkedése. Az áramkörben a diódát passzív elemként vizsgáljuk egy aktív elem jelenlétében, illetve gerjesztés hatására a dióda milyen válaszokat ad. pn átmenet 14. ábra rendezett pn A két réteg közelsége a p rétegben a szennyező atom okozta pozitív potenciál lokális instabilitást okoz, ahol a félvezető rácskötésében a kevésbé stabil elektronok elindulnak az instabilitás megszüntetésére. Ezt erősíti a határréteg mentén az n rétegből kiinduló negatív töltésekből eredő erőtér. Így a határréteg mentén úgy tűnik, hogy a pozitív lyukak vándorolnak a határrétegig. Hasonló jelenség zajlik az n rétegben, de itt elektronok mozognak a határréteg felé, kellő energiával rendelkezők átlépve a határréteget rekombinálják (közömbösítik) az ott lévő lyukakat. Így kialakul egy töltésmentes réteg, amiben csak helyhez kötött szennyező iónok tartózkodnak. A töltésmentes réteget kiürített rétegnek nevezzük. 14.ábra pn átmenet A kiürített réteg létrejötte egy másodlagos folyamatot is eredményez, ami a töltések felsorakozását idézi elő a kiürített réteg előtt mindkét oldalon. A p rétegben megszűnő lyukak fölös elektronokat az n rétegből átlépő elektronok fölös lyukakat eredményeznek, ami a határréteg mentén, az ellentétes oldalon lévő töltésekkel tart egyensúlyt. A határréteg mentén felsorakozó töltések egy kondenzátorhoz hasonló villamos elem, aminek dielektrikuma félvezető, lemezei a határréteg két oldala. 14.ábra rendezett pn. A feszültségmentes dióda + - n vezető + tértöltés potenciál p vezető - tértöltés Előzőekben láttuk, hogy az n szennyezésű kristályból a p szennyezésű kristályba az ellentétes töltésűek egy része a potenciálkülönbség miatt át diffundálnak a másik szerkezetű részbe. Az akceptorok és donorok kiegyenlítő töltése megmarad az eredeti helyén a diffúzió idejére a szennyezettséggel ellentétes töltésű marad mindaddig, míg a diffúziós árammal ellentétes nagyságú tértöltés ki nem egyenlíti. Az átmeneten egy idő után már nem 15. ábra egyenlítik ki egymást a donorok és akceptorok, hanem a réteg mentén felsorakoznak, egy potenciálgátat hoznak létre. A folyamattal az n tartomány a p tartományhoz képest pozitív töltésűvé válik. Az egyensúlyi helyzet feszültségmentes állapotban egy kontaktpotenciált hoz létre, méretét a lapka kivezetéseire kapcsolt feszültség polaritásával és nagyságával változtathatunk. A félvezető dióda egy pn átmenettel rendelkező szennyezett félvezető, amire kivezetéseket helyezve állítják elő a félvezető diódát. A 16. ábra
elrendezésében ábrázolt dióda töltéseloszlását és potenciálértékét is megadhatjuk a lapkaméret függvényében. Az n rétegben az elektronok a határréteg környezetében itt hagyták az egyensúlyt n vezető 16. ábra p vezető tartó pozitív töltéseket, de ugyan ez történt a p vezetőben is, az akceptorok egy része rekombinálódtak az elektronokkal, hátra hagyva a potenciál pár egy részét. Az ellentétes oldalon a felsorakozó töltések a határ mentén egyensúlyi állapotot hoznak létre, a töltésmozgás megszűnik, kialakul a határréteg környezetében egy töltésmentes réteg, a kiürített réteg és egyben a félvezető tértöltése és potenciálja a lapka szennyezésével ellentétes. A dióda áramköri rajzjele: 17. ábra A diódák szennyezés szerinti beazonosítása p réteg A K + - n réteg 18. ábra A dióda egy kiválasztott rajzjelét látjuk a 18. ábrán. A polaritás jelölése A + jelenti a pozitívabb értéket. Az n réteg K jelölése a katódot jelöli, illetve A jelölés az anód. Az anód a lyukak többségi töltéshordozója, tehát akceptor szennyezés, a katódban az elektron a többségi hordozó, azaz donorszennyezés. A dióda gyártásakor megjelölik a katódot, a tokozásra festett vonallal, így egyértelmű annak bekötése. Méréssel is megállapítható a katód-anód, a műszert ellenállásmérő állásba kapcsoljuk, ellenállás méréskor a műszer pozitív mérőzsinórját tesszük az anódra, negatívat a katódra. A mért ellenállásérték ohm-kohm nagyságrendű. Megfordítva a mérőzsinórokat a műszerünk, ha nem is szakadást, de megaohm nagyságrendi tartományban jelez. A pozitív jelű mérőzsinórunkat az anódra, a negatív mérőzsinórt a katódra csatlakoztatva mért ohm-khom nagyságrendű ellenállásérték a dióda nyitóirányú feszültségellátását jelenti. Az így megállapított katód kivezetés a helyes. Az előző diódamérést nevezhetjük a dióda gyorstesztjének. A kis- és nagy ellenállás-értékű dióda, nyitó-, és záróirányú előfeszítésének különbségét jelenti, ezért a dióda jónak nevezhető. Ha a dióda mindkét mérési eredményeként azonos értéket mérünk, akkor kis ellenállásértéknél azt mondjuk, hogy zárlatos, nagy ellenállás értéknél, szakadt. A teljesség igényével akarjuk magyarázni a rétegdióda működését, akkor figyelembe kell venni a szennyező iónokat valamint a rétegtől függő többségi és kisebbségi töltéshordozókat. Rajzoljuk fel ismét a szennyezett vezetőt, de most már kiegészítve az előbb elmondottakkal.
p réteg n réteg p réteg n réteg negatív akceptor ion kisebbségi elektron többségi lyuk kisebbségi lyuk többségi elektron pozitív donor ion kiürített réteg 19. ábra A p típusú félvezető kristályban többségi töltéshordozóként lyukak, de hőmérséklet hatására mozgó elektronok vannak kisebb mennyiségben, kisebbségi töltéshordozóként. A 8. ábra szerint a rácsszerkezetben negatív töltésű akceptor ionok épülnek be, mivel az indium vegyérték elektronjaihoz tartozó protonok száma három, így az negatív a 4 vegyértékű -nál. A beépült akceptor ionok darabszáma szennyezés függő. Az n típusú kristályban azonban a többségi töltéshordozó elektronok, kisebbségi töltéshordozóként lyukak, a rácsszerkezetbe beépülő donor ionok pozitív töltésűek (7. ábra), mivel az arzén vegyérték elektronjaihoz tartozó protonszám 5, ezért a négy vegyértékű szilícium vegyérték elektronjaihoz tartozó protonszámnál 1-el több, ezért a donorion pozitív. A két réteg p és n összeillesztésekor, a mozgó töltések miatt egy átrendezés jön létre, kialakul a kiürített réteg, ahol csak a szennyezőanyagok iónjai tartózkodnak, és tartanak potenciális egyensúly egymással. Az egyensúly miatt a réteg semleges potenciálú, ezért kiürített rétegnek nevezzük. 20. ábra Két azonos félvezető alapanyagú, de különböző szennyezésű kristály összeillesztésekor töltéskiegyenlítődési folyamat jön létre, mert a különböző előjelű töltések vonzzák egymást. Az n típusú rétegből elektronok, a p típusú rétegből lyukak lépnek át az összeillesztett felületen. A folyamat úgy zajlik le, hogy a különböző rétegek többségi töltéshordozói a rétegen átlépve egyesül az ellentétes előjelű többségi hordozóval és semlegessé válnak. A folyamatot rekombinációs folyamatnak nevezzük. A lokális térfogati potenciál kiegyenlítődés miatt mindkét réteg többségi töltéshordozója lecsökken, így a rétegenkénti semleges potenciál állapot megszűnik. A p típusú rétegből távozó lyukak, illetve azok rekombinációja miatt előtérbe kerül az akceptor szennyezést adó ionok negatív potenciálja. Az akceptor szennyező atom 3 vegyértékelektronjához 3 proton tartozik, szemben a szilícium 4 vegyértékelektron 4 proton formációjával. Mivel a szennyező atom eggyel, kevesebb protonnal rendelkezik, így e helyen negatív potenciálú terület alakul ki, tehát a p típusú szennyezés pn átmeneti illesztéskor negatív potenciálú lesz. Az n típusú szennyezést tartalmazó réteg, hasonló jelenség miatt, pozitív potenciálúvá válik. Itt az elektronok a többségi töltéshordozók, amik rekombinálódnak a másik rétegben, a visszamaradó domináns töltés a donorion, aminek proton többlete van. Az
arzén vegyértékelektronja 5 ezzel tart potenciális egyensúlyt 5 proton, szemben a szilícium 4-4 értékével. A visszamaradt donorion pozitív potenciálú, a protontöbblete miatt. A két réteg határmentén egy különös jelenség jön létre, mivel a p típusú réteg, az akceptor ionok miatt, negatív potenciálú, ezért az elektrosztatikában ismert jelenséggel magyarázva az n típusú réteg többségi töltéshordozóként ismert elektronjait taszítani fogja, és távol tartja azokat a határrétegtől. Megegyező jelenség figyelhető meg az n típusú réteg pozitív donorionjai által kialakult pozitív rétegpotenciál és a p réteg többségi töltéshordozójú lyukak közötti taszító hatásról. Itt a p rétegen belül a határ felület közelében lyukak torlódnak fel és tartanak egyensúlyt a rétegpotenciállal. A töltésmozgás eredménye az lesz, hogy többségi töltéshordozótól mentes réteg jön létre, aminek mérhető területe van, ebben csak akceptor és donor ionok vannak. A negatív akceptor ionok a p rétegben egy negatív potenciálfalat, az n réteg pozitív donor ionjai egy pozitív potenciálfalat emel a saját rétegén belül a határréteg mentén. Ezt a határréteget pn átmenetnek nevezzük és nevének - pn átmenet - említésekor az így kialakult rétegátmenetet értjük. Diffúziós áram és a sodródási áram A többségi töltéshordozók közül csak azok tudják a potenciálgátat, vagy határréteget, átlépni, ha rendelkeznek akkora mozgási energiával, hogy azt legyőzzék. A rétegek közötti többségi töltésáramlást diffúziós áramnak nevezzük. A diffúziós áramban a p rétegből elindult lyukak és az n rétegből elindult elektronok vesznek részt. Ha az áram irányát mérőirány szerint helyesnek vesszük fel, vagyis pluszból folyik a mínuszba (technikai áramirány), akkor a diódában, a p rétegből indul és az n rétegbe tart. A diffúziós áramon kívül azzal ellentétes irányú áram is létrejön a pn átmeneten, ezek a kisebbségi töltéshordozók által létrehozott sodródási vagy drift áram. diffúziós lyukáramlás sodródási elektronáramlás p réteg drift áram n réteg diffúziós áram 21. ábra diffúziós elektronáramlás sodródási lyukáramlás A sodródási áram úgy jön létre, hogy az n réteg kisebbségi töltéshordozói, a lyukak és a p réteg kisebbségi töltéshordozói az elektronok igen kis energiájukkal is eljutnak a kiürített réteg környezetébe, ahol a helyhez rögzített ionok potenciáljai taszító, illetve vonzó hatást gyakorolnak rájuk. Látható, hogy a p réteg kisebbségi töltéshordozójára, az elektronra a potenciálgát negatív akceptor ionja taszító hatást fejt ki, de vonzó hatást gyakorol a n réteg pozitív donor ionjai, sőt rá a kiürített rétegben gyorsító hatással vannak. Ezért a kisebbségi töltéshordozó felgyorsulva jut át a potenciálgáton. A drift áram és a diffúziós áram irányát, a 21. ábrán, a technikai áramiránynak megfelelően jelöltem be. A diffúziós áram nagyságát egy olyan külső feszültséggel növelhetjük meg, ami a határréteg szennyező iónok által okozott potenciálgátat leépíti, illetve pótolja a többségi töltéshordozók mennyiségét.
A dióda nyitóirányú előfeszítése. A diffúziós áram növelését úgy tudjuk megoldani, hogy leépítjük az összeillesztéskor létrejött, szennyezés által okozott potenciálgátat. A létrejött potenciálgát a szennyezőanyag iónjai, ha csökkenteni akarjuk a kialakult potenciálgátat, akkor töltéseket kell bevinni a p és n rétegbe úgy, hogy rekombinálja a kiürített rétegben lévő iónokat. A gát ionjait a p rétegbe vitt lyukak, illetve az n rétegbe vitt elektronok semlegesítik és szüntetik meg a potenciál falat. A diódára a nyitóirányú előfeszítéshez az egyenáramú áramforrást úgy kell kapcsolni, hogy a p rétegre a pozitív, n rétegre a negatív pólusát kötjük. A 18. ábra szerint a dióda pozitív csatlakozási pontja az anódja, a negatív a katódja. A dióda nyitóirányú előfeszítésben vezető állapotba kerül, a diódán áthaladó többségi töltéshordozók mennyisége határozza meg az átfolyó áram nagyságát. p réteg n réteg A dióda nyitóirányú áramát a diffúziós áram növekedése adja. A diffúziós árammal ellentétes kisebbségi áram vagy drift áram csökkenti a diffúziót, ezért annak áramát is. A drift áram hőmérsékletfüggő. A dióda nyitóirányú előfeszítésekor folyó áramot mindkét irányból azonos mennyiségű töltések áramlása adja. Az U t tápfeszültségből induló töltések a záró réteget elérve az ott lévő iónokkal találkozva, rekombinációs folyamatként semlegesítve lebontják. Az áram a feszültség és hőmérsékletfüggő, ami a Wagner-képlet szerint, qu i i e k T t 1 A képletben szereplő i a dióda árama, i t a záróirányú telítési áram, q az 19 elemi töltés értéke, ami q 1,6 10 [C ], az u a diódára kapcsolt feszültség, k a Boltzmann-állandó értéke k 1,38 10 [ J / K ], T az abszolút hőmérséklet. A képletből kiválasztott adatok közül meghatározható a termikus feszültség jele u t. k u t T q A dióda árama helyettesítés után i i e t u ut 1 23 A dióda telítési, vagy sodródási (drift) árama jól meghatározható, szobahőmérsékleten a termikus feszültség értéke, u t 25,5mV többségi t.h áramlása U t 22. ábra kisebbségi th áramlása A sodródási áram különböző félvezetőknél más és más, germániumnál figyelemreméltó, de szilícium esetén az áramegyenlet -1 értéke elhanyagolható.
Ezért az egyenlet így változtatható, u u i i t t e Az i t telítési vagy sodródási áram, ami közel exponenciálisan függ a hőmérséklettől. A telítési vagy sodródási áram valamint a termikus feszültség csökkenti a nyitóirányú dióda diffúziós áramát, így a nyitóirányú feszültség és áram a felvett karakterisztikát a nulla érték felé tolja el. Az eltolás feszültsége U a T mv a képletben lévő a értéke a 2 o C A diódára kapcsolt nyitóirányú feszültség nullától diszkrét értékenként növelve felvehetjük a dióda nyitóirányú karakterisztikáját. A nyitóirányú karakterisztika két összetartozó érték metszéspontjai, ahol a vízszintes tengely a diódán mért nyitóirányú feszültséget, a függőleges tengely a feszültség hatására átfolyó áram értéke. A dióda nyitóirányú karakterisztikája. 20 15 10 5 I[mA] U[mV] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 23. ábra