Alapfogalmak lektronika Alapismeretek Az elektromos áram a töltéssel rendelkező részecskék rendezett áramlása. Az ika az elektromos áram létrehozásával, átalakításával, befolyásolásával, irányításával foglakozik Áramerősség Az elektromos áram erőssége az adott keresztmetszeten egységnyi idő alatt áthaladó töltések mennyissége I [A] Amper Feszültség Az elektromos feszültség megadja, hogy mekkora munkát végez az elektromos mező, miközben egységnyi töltést a mező egyik pontjából a másikba áramoltat. U [V] Volt Teljesítmény lektromos teljesítmény egy adott időegység alatt felvett vagy leadott elektromos energia mértéke. P [W] Watt Pillanatnyi teljesítmény P(t) = U(t) I(t) 2 llenállás (tömör, huzal, réteg) Az árammal átjárt vezetőn feszültségesés következik be, ami az elektromos energia hővé való átalakulásának a következménye A legalapvetőbb ikai elem Valódi ellenállás A környezeti feltételektől függő, változó érték Áramerősség, feszültség, frekvencia, hőmérséklet, megvilágítás, öregedés Néha hasznos is lehet termisztor, varisztor, fotoellenállás, mágneses ellenállás Kondenzátor (Kapacitás) A kondenzátor feladata az elektromos töltések tárolása. A kondenzátor töltéstároló képességet annak kapacitásával adjuk meg Felépítése: két egymással párhuzamos vezetőanyag (fegyverzet), közöttük dielektrikum 3 4 Induktivitás leggyakrabban tekercsek, transzformátorok A tekercs mágneses energiát tárol. A tároló képesség mértéke a tekercs L induktivitása (öninduktivitása), mértékegysége H (Henry) lektron Kettős természetű Anyag Hullám Az atommagot gömbszerűen körülvevő anyaghullám Az energiája nem lehet tetszőleges értékű, csak meghatározott (diszkrét) energiaszinteken létezhet (kvantált) zeknek az energiaszinteknek megfelel egy-egy pálya Az atom szerkezete Atommag Proton pozitív elemi töltés Neutron semleges töltésű lektron negatív elemi töltés 5 6 1
Ha az atommal energiát közlünk az ok egyre nagyobb energiaszintre egyre távolabbi pályára kerülnek Vegyértéksáv A legkülső pálya energiaszintje Ionizációs energia Az az energiamennyiség, amellyel egy t ki tudunk szakítani az atomi kötelékből Vezetési sáv A vegyértéksávot elhagyó ok töltéshordozóvá, vezetési okká válnak Az atomoktól szinte függetlenül, az atomok közötti térben mozognak Minél több a vezetési annál jobb az anyag vezetőképessége Vezetők Sok vezetési Félvezetők Szobahőmérsékleten, vegytiszta állapotban rossz vezetők Növekvő hőmérséklettel (energiaközléssel) egyre jobb vezetők, egyre több vezetési Szennyezés hatására a vezetőképesség ugrásszerűen megnövekszik Szigetelők Igen nagy energiaközlés hatására is csak elhanyagolható mennyiségű vezetési keletkezik ór 3 vegyérték Szilícium 4 vegyérték Antimon 5 vegyérték 7 8 Leggyakrabban használt Szilícium Si Germánium Ge GaAs Gallium-arzenid Tiszta szilíciumkristály Tetraéderes szerkezetű Az egyszerűség kedvéért a síkban kiterítve ábrázoljuk 9 10 Saját vezetés A tökéletesen tiszta félvezető rossz vezető Csekély energiaközlés (hőmérsékletemelkedés) hatására is szabad ok keletkeznek Az atomi kötésből kivált (vezetési) miatt felbomlik az atomban a töltések egyensúlya Az helyén lyuk keletkezik egységnyi pozitív töltéssel A lyuk másik atomi kötésből kivált befogadására képes aminek helyén szintén lyuk keletkezett A folyamat ismétlődik, folyamatosan lyuk párok keletkeznek és rekombinálódnak Mivel helyét folyamatosan változtatja a lyuk is töltéshordozóként viselkedik A szilícium kristály semleges töltésű marad A töltéshordozók számának növelése Szennyezéses vezetés A pozitív töltéshordozók (lyukak) számának növelése p típusú szennyezés A negatív töltéshordozók (ok) számának növelése n típusú szennyezés 11 12 2
n típusú szennyezés ggyel több valencianal rendelkező atomot juttatnak a rácsszerkezetbe Foszfor (P), arzén (As), antimon (Sb) Négy a szomszédos Si atomokhoz kapcsolódik Az ötödik nem tud kötésbe kerülni Könnyen vezetési ná válik Növeli a szabad töltéshordozók számát A kristály kifelé semleges töltésű marad Vezetőképesség lsősorban a szennyezés miatt keletkezett szabad ok határozzák meg - vezetés p típusú szennyezés gyel kevesebb valencianal rendelkező atomot juttatnak a rácsszerkezetbe ór (), alumínium (Al), gallium (Ga) indium (In) 3 saját nal a szomszédos Si atomokhoz kapcsolódik A negyedik kötési valamelyik szomszédos Si atomról válik le A levált helyén lyuk keletkezik Növeli a szabad töltéshordozók számát A kristály kifelé semleges töltésű marad Vezetőképesség lsősorban a szennyezés miatt keletkezett lyukak határozzák meg lyukvezetés 13 14 Szennyezett félvezetőt önmagában Termisztor hőmérsékletfügő ellenállás Fotoellenállás megvilágítás függő ellenállás Varisztor feszültségfüggő ellenállás gy p és egy n típusú szennyezéses félvezető réteg összeillesztése Gyakorlatban egyetlen kristályból alakítják ki, szelektív szennyezéssel A képzeletbeli összeillesztés pillanatában A p-rétegből a lyukak az n-oldalra igyekszenek, ahol rekombinálódnak Az n-rétegből a lyukak a p-oldalra igyekszenek, ahol rekombinálódnak A rétegek határán a többségi töltéshordozók elfogynak Kiürített réteg keletkezik 15 16 A kiürített rétegben többségi töltéshordozó hiány van Az eredetileg semleges villamos állapot a kiürített rétegben megszűnik A kristály kívülről ettől még semleges marad Kiürített réteg A felhalmozódott töltések útját állják a többségi töltéshordozók áramlásának Csak azok a töltéshordozók tudnak átjutni a falon amelyeknek elegendő energiájuk van 17 18 3
P oldalhoz pozitív, n oldalhoz negatív feszültséget kapcsolva az átmeneti réteg eltűnik, vezetővé válik (nyitóirányú áram) Fordított polaritás esetén a kiürített réteg kiszélesedik és szigetelőként viselkedik (záróirányú áram), a letörési feszültséget elérve lavinaszerűen megindul az áram (Zenereffektus) Dióda Jelképi jelölés p típusú szennyezett oldal anód háromszög n típusú szennyezett oldal katód vonal Anód p-típusú Katód n-típusú 19 20 Diódás kapcsolások gyenirányító kapcsolások gyutas egyenirányító A dióda csak a pozitív félperiódust engedi át Diódás kapcsolások gyenirányító kapcsolások Graetz-híd 21 22 1948-49 ell laboratórium J.R. Haynes és W. Shockley Ma már főleg Si alapú tranzisztorok Vezérelhető eszköz teljesítmény erősítésre alkalmas A bipoláris tranzisztor felépítése Három szennyezett félvezető rétegből kialakított eszköz n-p-n szennyezés vagy p-n-p szennyezés mitter () Az elektróda emelyből a töltéshordozók kiindulnak ázis () A bázis vékonyabb és gyengébben szennyezett jóval kevesebb töltéshordozó mint, C-ban Kollektor (C) A töltéshordozókat gyűjtő elektróda n + p n+ p + n p + C C 23 24 4
fizikai működése A diódánál tapasztalt kiürített réteg alakul ki a határrétegek között p + n C p + 25 26 Működése: Ha a bázison nem folyik áram, akkor a kollektor-emitteren sem Amikor a bázison áram folyik akkor azzal arányos áram folyik a kollektor-emitteren is. Kapcsoló, erősítő eszköz 27 5