Elektronika Alapismeretek

Alapfogalmak

Elektronika

►

Az elektromos áram a töltéssel rendelkező részecskék rendezett áramlása. • Az elektronika az elektromos áram létrehozásával, átalakításával, befolyásolásával, irányításával foglakozik

Alapismeretek

– 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

• Elektromos teljesítmény egy adott időegység alatt felvett vagy leadott elektromos energia mértéke. • P [W] Watt • Pillanatnyi teljesítmény

P(t) = U(t) I(t)

2

Passzív alkatrészek

Passzív alkatrészek

Ellenállás (tömör, huzal, réteg)

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

– Az árammal átjárt vezetőn feszültségesés következik be, ami az elektromos energia hővé való átalakulásának a következménye – A legalapvetőbb elektronikai elem

– Valódi ellenállás • A környezeti feltételektől függő, változó érték

– Áramerősség, feszültség, frekvencia, hőmérséklet, megvilágítás, öregedés

• Néha hasznos is lehet

– termisztor, varisztor, fotoellenállás, mágneses ellenállás

3

4

Félvezetők fizikája

Passzív alkatrészek ►

Elektron

►

► ►

– leggyakrabban tekercsek, transzformátorok – A tekercs mágneses energiát tárol. A tároló képesség mértéke a tekercs L induktivitása (öninduktivitása), mértékegysége H (Henry)

Az atom szerkezete  Atommag

 Kettős természetű

Induktivitás

Anyag Hullám

► ►

Proton – pozitív elemi töltés Neutron – semleges töltésű

 Elektron – negatív elemi töltés

 Az atommagot gömbszerűen körülvevő anyaghullám  Az elektron energiája nem lehet tetszőleges értékű, csak meghatározott (diszkrét) energiaszinteken létezhet (kvantált)  Ezeknek az energiaszinteknek megfelel egy-egy elektronpálya

5 6

1

Félvezetők fizikája

Félvezetők fizikája

 Ha az atommal energiát közlünk ► ►

az elektronok egyre nagyobb energiaszintre egyre távolabbi pályára kerülnek

►

A legkülső elektronpálya energiaszintje

►

Az az energiamennyiség, amellyel egy elektront ki tudunk szakítani az atomi kötelékből

 Vegyértéksáv

 Ionizációs energia

►

Vezetők

►

Félvezetők

 Sok vezetési elektron  Szobahőmérsékleten, vegytiszta állapotban rossz vezetők  Növekvő hőmérséklettel (energiaközléssel) egyre jobb vezetők, egyre több vezetési elektron  Szennyezés hatására a vezetőképesség ugrásszerűen megnövekszik

 Vezetési sáv ► ► ►

A vegyértéksávot elhagyó elektronok töltéshordozóvá, vezetési elektronokká válnak Az atomoktól szinte függetlenül, az atomok közötti térben mozognak Minél több a vezetési elektron annál jobb az anyag vezetőképessége

Bór 3 vegyérték elektron

Szilícium 4 vegyérték elektron

►

Szigetelők

 Igen nagy energiaközlés hatására is csak elhanyagolható mennyiségű vezetési elektron keletkezik

Antimon 5 vegyérték elektron

7

8

Tiszta félvezetők ► Leggyakrabban

használt

 Szilícium – Si  Germánium – Ge  GaAs – Gallium-arzenid

Tiszta félvezetők ► Tiszta

szilíciumkristály

 Tetraéderes szerkezetű  Az egyszerűség kedvéért a síkban kiterítve ábrázoljuk

9

►

Saját vezetés

Tiszta félvezetők

 A tökéletesen tiszta félvezető rossz vezető  Csekély energiaközlés (hőmérsékletemelkedés) hatására is szabad elektronok keletkeznek  Az atomi kötésből kivált (vezetési) elektron miatt felbomlik az atomban a töltések egyensúlya ► ► ► ►

10

Az elektron helyén „lyuk” keletkezik – egységnyi pozitív töltéssel A lyuk másik atomi kötésből kivált elektron befogadására képes aminek helyén szintén lyuk keletkezett A folyamat ismétlődik, folyamatosan elektron – lyuk párok keletkeznek és rekombinálódnak Mivel helyét folyamatosan változtatja a lyuk is töltéshordozóként viselkedik

 A szilícium kristály semleges töltésű marad

11

Szennyezett félvezetők ►

A töltéshordozók számának növelése

►

Szennyezéses vezetés

 A pozitív töltéshordozók (lyukak) számának növelése ►p

típusú szennyezés

►n

típusú szennyezés

 A negatív töltéshordozók (elektronok) számának növelése

12

2

Szennyezett félvezetők ►

n típusú szennyezés

Szennyezett félvezetők ►

 Eggyel több valenciaelektronnal rendelkező atomot juttatnak a rácsszerkezetbe ► Foszfor (P), arzén (As), antimon (Sb)

 Egyel kevesebb valenciaelektronnal rendelkező atomot juttatnak a rácsszerkezetbe ► Bór (B), alumínium (Al), gallium (Ga) indium (In)

 Négy elektron a szomszédos Si atomokhoz kapcsolódik  Az ötödik nem tud kötésbe kerülni ► Könnyen vezetési elektronná válik ► Növeli a szabad töltéshordozók számát ►

A kristály kifelé semleges töltésű marad

►

Vezetőképesség

 Elsősorban a szennyezés miatt keletkezett szabad elektronok határozzák meg elektronvezetés

p típusú szennyezés

 3 saját elektronnal a szomszédos Si atomokhoz kapcsolódik  A negyedik kötési elektron valamelyik szomszédos Si atomról válik le ► A levált elektron helyén lyuk keletkezik ► Növeli a szabad töltéshordozók számát ►

A kristály kifelé semleges töltésű marad

►

Vezetőképesség 

Elsősorban a szennyezés miatt keletkezett lyukak határozzák meg – lyukvezetés

13

Szennyezett félvezetők ► Szennyezett

félvezetőt önmagában

 Termisztor – hőmérsékletfügő ellenállás  Fotoellenállás – megvilágítás függő ellenállás  Varisztor – feszültségfüggő ellenállás

14

► PN

átmenet

 Egy p és egy n típusú szennyezéses félvezető réteg összeillesztése ► Gyakorlatban

egyetlen kristályból alakítják ki, szelektív szennyezéssel

 A képzeletbeli összeillesztés pillanatában ►A

 A p-rétegből a lyukak az n-oldalra igyekszenek, ahol rekombinálódnak  Az n-rétegből a lyukak a p-oldalra igyekszenek, ahol rekombinálódnak

rétegek határán a többségi töltéshordozók elfogynak  Kiürített réteg keletkezik

15

16

PN átmenet

PN átmenet ► PN

► Kiürített

átmenet

 A kiürített rétegben többségi töltéshordozó hiány van ► Az

eredetileg semleges villamos állapot a kiürített rétegben megszűnik kristály kívülről ettől még semleges marad

►A

17

PN átmenet

réteg

 A felhalmozódott töltések útját állják a többségi töltéshordozók áramlásának  Csak azok a töltéshordozók tudnak átjutni a „falon” amelyeknek elegendő energiájuk van

18

3

PN átmenet  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 ►

Egyenirányító kapcsolások – Egyutas egyenirányító  A dióda csak a pozitív félperiódust engedi át

Diódás kapcsolások ►

Egyenirányító kapcsolások – Graetz-híd

21

22

Tranzisztor

Tranzisztor

► ►

►

 Három szennyezett félvezető rétegből kialakított eszköz

1948-49 Bell laboratórium  

J.R. Haynes és W. Shockley Ma már főleg Si alapú tranzisztorok



teljesítmény erősítésre alkalmas

A bipoláris tranzisztor felépítése ►

n-p-n szennyezés vagy p-n-p szennyezés

►

Az elektróda emelyből a töltéshordozók kiindulnak

►

A bázis vékonyabb és gyengébben szennyezett – jóval kevesebb töltéshordozó mint E, C-ban

 Emitter (E)

Vezérelhető eszköz

 Bázis (B)

 Kollektor (C) ►

A töltéshordozókat gyűjtő elektróda

n+

p+

n+

p

C

E

C

E

B 23

p+

n

B 24

4

Tranzisztor

Tranzisztor ► Tranzisztor

fizikai működése

 A diódánál tapasztalt kiürített réteg alakul ki a határrétegek között

p+

E

Bn

C

p+

E

B

25

26

Tranzisztor ► 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