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:
59. elméleti kérdés
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. elméleti kérdés
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 félvezetőeszközöket bipoláris félvezetőknek nevezzük.
működő
5. ábra P és N típusú félvezető hasábok 60. elméleti kérdés
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. elméleti kérdés
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.
61. elméleti kérdés
7. ábra A dióda jelleggörbéje, és karakterisztikájának jellegzetes tartományai
8. ábra A dióda rajzjele
9. ábra A Si- és Ge-diódák jelleggörbéi.
A dióda-karakterisztika egyenlete
⎞ ⎛ U ⎟ ⎜ U I = I 0 ⋅ ⎜ e T − 1⎟ ⎟ ⎜ ⎠ ⎝
ahol,
kT UT = q
62. elméleti kérdés
- termikus feszültség. Szobahőmérsékleten UT=25 mV
63. elméleti kérdés
10. ábra A dióda ellenállás jellemzői. Egy adott UF feszültségnél IF áram folyik, akkor az hányados dióda statikus ellenállását adja.
UF RF = IF
A változások hatására mutatott dinamikus vagy váltakozó áramú ellenállás értéke eltér az egyenáramú értéktől:
du rF = di
DIÓDÁS EGYENIRÁNYÍTÓK Egyfázisú egyutas egyenirányító kapcsolás
91. elméleti kérdés
Egyfázisú középkivezetéses kétutas egyenirányító kapcsolás
92. elméleti kérdés
Greatz diódakapcsolás
93. elméleti kérdés
Háromfázisú, egyutas egyenirányító kapcsolás
D1
94. elméleti kérdés
D2
D3
Háromfázisú, kétutas egyenirányító kapcsolás
95. elméleti kérdés
