Elektronika II.

(1)

INTÉZET INTÉZET TA NS ZÉ KTA NS ZÉ K

DR. KOVÁCS ERNŐ

ELEKTRONIKA

II.

((

DISZKRÉT FÉLVEZETŐK,

ERŐSÍTŐK

))

ELŐADÁS JEGYZET

2003. 2003.

(2)

2.0. 2.0. Diszkrét félvezetők és alkalmazásaik

Diszkrét félvezetők és alkalmazásaik

A fejezet összefoglalja a legfontosabb ismereteket a diszkrét félvezető alkatrészekről és A fejezet összefoglalja a legfontosabb ismereteket a diszkrét félvezető alkatrészekről és alkalmazásaikról. Kiemelten tárgyalja a lineáris alkalmazásokat, elsősorban is a diszkrét alkalmazásaikról. Kiemelten tárgyalja a lineáris alkalmazásokat, elsősorban is a diszkrét elemekkel felépített félvezetős erősítőket. A fejezet a diszkrét alkatrészek közül nem elemekkel felépített félvezetős erősítőket. A fejezet a diszkrét alkatrészek közül nem foglalkozik a teljesítmény-elektronikai alkatrészekkel és alkalmazásaikkal, az foglalkozik a teljesítmény-elektronikai alkatrészekkel és alkalmazásaikkal, az optoelektronikai alkatrészekkel és a speciálisan csak nagyfrekvencián használt optoelektronikai alkatrészekkel és a speciálisan csak nagyfrekvencián használt alkatrészekkel, mivel ezeket egyéb tárgyak, anyagrészek, vagy fejezetek tartalmazzák. Az alkatrészekkel, mivel ezeket egyéb tárgyak, anyagrészek, vagy fejezetek tartalmazzák. Az egyes elektronikai elemek tárgyalásánál elsősorban –az alapvető működésén túl- a egyes elektronikai elemek tárgyalásánál elsősorban –az alapvető működésén túl- a legjellemzőbb paraméterek megismerése és értelmezése a cél. A diszkrét alkatrészek legjellemzőbb paraméterek megismerése és értelmezése a cél. A diszkrét alkatrészek családja jelentős számú alkatrészből áll, amelyből a fejezet csak a legjellemzőbb családja jelentős számú alkatrészből áll, amelyből a fejezet csak a legjellemzőbb alkatrészeket emeli ki a teljesség igénye nélkül.

alkatrészeket emeli ki a teljesség igénye nélkül.

2.1. Félvezető-elmélet alapjai

Az elektronika oly mélységig tárgyalja az elektronfizika vonatkozó tárgyköreit, ameddig Az elektronika oly mélységig tárgyalja az elektronfizika vonatkozó tárgyköreit, ameddig az szükséges ahhoz, hogy megértsük a félvezetőkben lezajló alapvető fizikai folyamatokat, az szükséges ahhoz, hogy megértsük a félvezetőkben lezajló alapvető fizikai folyamatokat, a félvezetők működését befolyásoló hibákat és a hőmérséklet hatását, mivel ezek közvetlen a félvezetők működését befolyásoló hibákat és a hőmérséklet hatását, mivel ezek közvetlen hatással vannak az egyes elektronikai kapcsolások tulajdonságaira. A témakörhöz hatással vannak az egyes elektronikai kapcsolások tulajdonságaira. A témakörhöz kapcsolódó mélyebb, részletesebb ismereteket a fizika egyes fejezetei (szilárdtestfizika és kapcsolódó mélyebb, részletesebb ismereteket a fizika egyes fejezetei (szilárdtestfizika és az elektronfizika) nyújtanak (lásd ajánlott irodalom).

az elektronfizika) nyújtanak (lásd ajánlott irodalom).

A kristályos szilárd anyagokban a kötött rácsrészecskék környezetében szabad elektronok A kristályos szilárd anyagokban a kötött rácsrészecskék környezetében szabad elektronok találhatók. A szabad elektronok mennyisége dönti el, hogy az adott kristályos anyag találhatók. A szabad elektronok mennyisége dönti el, hogy az adott kristályos anyag milyen villamos tulajdonsággal rendelkezik, pl. vezető vagy szigetelő. A vezetésben csak a milyen villamos tulajdonsággal rendelkezik, pl. vezető vagy szigetelő. A vezetésben csak a szabad elektronok vesznek részt.

szabad elektronok vesznek részt. Potenciális energia

Potenciális energia

Az atomhoz kötött elektronok meghatározott diszkrét energiaszinteket/pályákat tölthetnek Az atomhoz kötött elektronok meghatározott diszkrét energiaszinteket/pályákat tölthetnek be. A diszkrét energiaszintek energiája meghatározható a magtól vett távolság be. A diszkrét energiaszintek energiája meghatározható a magtól vett távolság

függvényében, figyelembe véve, hogy az elektronok pályasugara (r) csak egy egész szám függvényében, figyelembe véve, hogy az elektronok pályasugara (r) csak egy egész szám (n) négyzetével lehet arányos:

(n) négyzetével lehet arányos:

( ( ))

₂₂22 ₂₂44 11₂₂ 88 nn qq mZ mZ r r W W oo nn

==

−−

_εε

⋅⋅

h h

ahol, m az elektron tömege, q az elektron töltése, Z rendszám,

εε

oo a vákuum permittivitása,a vákuum permittivitása,

ħ a Planck-féle állandó. Az n kis egész szám n=1,2,3…. ħ a Planck-féle állandó. Az n kis egész szám n=1,2,3….

potenciálgát potenciálgát W Wnn(r)(r) r r W Wnn(r)(r) r r

(3)

Az ábrán azt az esetet ábrázoltuk, amikor az atomok rácstávolságnyira vannak egymástól. Az ábrán azt az esetet ábrázoltuk, amikor az atomok rácstávolságnyira vannak egymástól. A szaggatott vonal határolja azt a potenciálisenergia-teret, amelyben elektron nem A szaggatott vonal határolja azt a potenciálisenergia-teret, amelyben elektron nem tartózkodhat. Az így létrejövő potenciálgátak a klasszikus fizika szerint megakadályozzák tartózkodhat. Az így létrejövő potenciálgátak a klasszikus fizika szerint megakadályozzák az elektronok szabad mozgását a térben, azonban a kvantummechanika szerint az az elektronok szabad mozgását a térben, azonban a kvantummechanika szerint az alagút-hatás révén az elektronok egy része mégis átjut.

hatás révén az elektronok egy része mégis átjut.

A meghatározott diszkrét energia pályák felhasadnak és nagy számú szint lehetséges A meghatározott diszkrét energia pályák felhasadnak és nagy számú szint lehetséges egymáshoz viszonylag közel. Ezek a szintek (amelyek továbbra is diszkrétek) képeznek egymáshoz viszonylag közel. Ezek a szintek (amelyek továbbra is diszkrétek) képeznek egy energia sávot. Az energia sávok között

egy energia sávot. Az energia sávok között tiltott energia sávok tiltott energia sávok helyezkednek el,helyezkednek el, amelyben elektron nem tartózkodhat. A sávok közül az utolsó részben vagy teljesen amelyben elektron nem tartózkodhat. A sávok közül az utolsó részben vagy teljesen betöltött sávot

betöltött sávot vegyértéksávnak vegyértéksávnak , míg az első nem betöltött vagy csak kis mértékben, míg az első nem betöltött vagy csak kis mértékben betöltött sávot

betöltött sávot vezetési sávnak vezetési sávnak nevezzük. A vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti tiltottnevezzük. A vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti tiltott sáv nagysága jellemzője a vezető, félvezető és szigetelő anyagoknak. A

sáv nagysága jellemzője a vezető, félvezető és szigetelő anyagoknak. A vezető anyagok vezető anyagok

teljesen betöltött vegyértéksávú, üres vezetési sávú és 3 eV-nál kisebb tiltott sávszélességű teljesen betöltött vegyértéksávú, üres vezetési sávú és 3 eV-nál kisebb tiltott sávszélességű anyagok. Ha a tiltott sáv szélessége 5..8 eV, akkor az anyag

anyagok. Ha a tiltott sáv szélessége 5..8 eV, akkor az anyag szigetelő szigetelő . A kettő közötti. A kettő közötti helyezkednek el a

helyezkednek el a félvezetők félvezetők . Pl. a szokásos félvezető anyagoknál a tiltott sáv szélessége:. Pl. a szokásos félvezető anyagoknál a tiltott sáv szélessége: Si esetén 1.1 eV, Ge esetén 0.72 eV, GaAs esetén 1.3 eV. Az energiasávok alapján lehet a Si esetén 1.1 eV, Ge esetén 0.72 eV, GaAs esetén 1.3 eV. Az energiasávok alapján lehet a legegyszerűbben modellezni a félvezetők működését.

legegyszerűbben modellezni a félvezetők működését. Sávelméleti alapok

Sávelméleti alapok

A félvezető anyagokban a tiltott sáv szélessége elegendően kicsi ahhoz, hogy már A félvezető anyagokban a tiltott sáv szélessége elegendően kicsi ahhoz, hogy már szobahőmérsékleten a vegyértéksávból elektron lépjen ki és a vezetési sávba kerüljön. A szobahőmérsékleten a vegyértéksávból elektron lépjen ki és a vezetési sávba kerüljön. A kilépett elektron (n) helyén elektron hiány lép fel, ami pozitív töltést (p) jelent ezt hívjuk kilépett elektron (n) helyén elektron hiány lép fel, ami pozitív töltést (p) jelent ezt hívjuk

lyuknak lyuknak ..

Az elektron gerjesztés hatására bekövetkező kiszakadását a kötött rácsszerkezetből Az elektron gerjesztés hatására bekövetkező kiszakadását a kötött rácsszerkezetből párképződésnek

párképződésnek (generációnak) a visszatérését(generációnak) a visszatérését rekombinációnak rekombinációnak nevezzük. A generációnevezzük. A generáció során lyuk-elektron pár keletkezik, a rekombináció során azonban egy lyuk-elektron pár során lyuk-elektron pár keletkezik, a rekombináció során azonban egy lyuk-elektron pár megsemmisül. Egy adott hőmérsékleten a töltéssűrűség egyensúlyban van, azonos számú megsemmisül. Egy adott hőmérsékleten a töltéssűrűség egyensúlyban van, azonos számú generáció és rekombináció zajlik le. Termikus gerjesztés esetén tehát

generáció és rekombináció zajlik le. Termikus gerjesztés esetén tehát mindig azonos számúmindig azonos számú elektron és lyuk keletkezik.

elektron és lyuk keletkezik.

Vegyértéksáv Vegyértéksáv teljesen betöltött teljesen betöltött Tiltott sáv Tiltott sáv Vezetési sáv Vezetési sáv üres üres W W generáció rekombináció generáció rekombináció

Az elektronok generációja és rekombinációja azonban nem minden anyagnál ilyen direkt Az elektronok generációja és rekombinációja azonban nem minden anyagnál ilyen direkt folyamat. A félvezetőket aszerint is csoportosíthatjuk, hogy az elektronok gerjesztése folyamat. A félvezetőket aszerint is csoportosíthatjuk, hogy az elektronok gerjesztése (foton abszorpció) ill. generációja (foton kisugárzás) közvetett (indirekt félvezetők) vagy (foton abszorpció) ill. generációja (foton kisugárzás) közvetett (indirekt félvezetők) vagy közvetlen (direkt félvezetők) átmenettel történik-e. Direkt félvezetők esetén a közvetlen (direkt félvezetők) átmenettel történik-e. Direkt félvezetők esetén a k k hullámszámvektor (az elektromágneses tér terjedési irányába mutató, a frekvenciával hullámszámvektor (az elektromágneses tér terjedési irányába mutató, a frekvenciával arányos vektor) nem változik meg, míg indirekt félvezetők esetén megváltozik.

arányos vektor) nem változik meg, míg indirekt félvezetők esetén megváltozik.

A fenti sávszerkezeti modellel szemben a vezetési sáv alsó energia szintje és a A fenti sávszerkezeti modellel szemben a vezetési sáv alsó energia szintje és a vegyértéksáv felső energia szintje nem párhuzamosan fut egymással, hanem a vegyértéksáv felső energia szintje nem párhuzamosan fut egymással, hanem a

(4)

hullámszámvektorral változik. A generációs és rekombinációs folyamatok ott zajlanak le, hullámszámvektorral változik. A generációs és rekombinációs folyamatok ott zajlanak le, ahol az a legkisebb energiaváltozással történik.

ahol az a legkisebb energiaváltozással történik.

Direkt félvezetők Direkt félvezetők g g g g W

W

==

hh

ω

, ahol W, ahol Wgg a tiltott sáv energia szélessége.a tiltott sáv energia szélessége.

W W Vezetési sáv alsó Vezetési sáv alsó energia szintje energia szintje A vegyértéksáv felső A vegyértéksáv felső energia szintje energia szintje W W g g k k A vezetési sáv alsó széle ugyanahhoz a

A vezetési sáv alsó széle ugyanahhoz a k k hullámszám-vektorhoz tartozik, mint ahullámszám-vektorhoz tartozik, mint a vegyértéksáv felső széle. Ilyen félvezető, pl. GaAs, InSb, GaSb, stb. A direkt félvezetők az vegyértéksáv felső széle. Ilyen félvezető, pl. GaAs, InSb, GaSb, stb. A direkt félvezetők az energiát elsősorban a fénytartományba tartozó hullámsávban (foton kisugárzás) sugározzák energiát elsősorban a fénytartományba tartozó hullámsávban (foton kisugárzás) sugározzák ki. ki. Indirekt félvezetők Indirekt félvezetők

Ω

++

==

ω

hh h h W W _g_g ,, ahol W

ahol Wgga tiltott sáv energia szélessége, ħa tiltott sáv energia szélessége, ħ

ω

a foton energia, ħa foton energia, ħ

Ω

a fonon energia.a fonon energia.

W W W W g g Vezetési sáv alsó Vezetési sáv alsó energia szintje energia szintje A A vegyértéksávegyértéksávv fel

felső sső szizintnt ee

k k A vezetési sáv legalacsonyabb energia szintje eltérő

A vezetési sáv legalacsonyabb energia szintje eltérő k k hullámszám-vektorhoz tartozik,hullámszám-vektorhoz tartozik, mint a vegyértéksáv felső energia szintje. Ilyen félvezető, pl. Si és Ge alapú félvezetők. Az mint a vegyértéksáv felső energia szintje. Ilyen félvezető, pl. Si és Ge alapú félvezetők. Az indirekt félvezetők az energiát elsősorban a hő-tartományba tartozó hullámsávban (fonon indirekt félvezetők az energiát elsősorban a hő-tartományba tartozó hullámsávban (fonon kisugárzás) sugározzák ki.

kisugárzás) sugározzák ki.

Fermi szint (W Fermi szint (W F F ) )

0

0 K K

°°

felett az elektronok az egyes energia szinteket különböző valószínűséggel (p) töltik felett az elektronok az egyes energia szinteket különböző valószínűséggel (p) töltik be. A betöltési valószínűséget a Fermi-Dirac eloszlási függvénnyel határozzák meg.

be. A betöltési valószínűséget a Fermi-Dirac eloszlási függvénnyel határozzák meg.

          −−

++

==

kT kT W W W W F F ee p p 11 11

k a Boltzmann állandó, T a hőmérséklet [K] k a Boltzmann állandó, T a hőmérséklet [K]

(5)

T=0 [K] T=0 [K] T=300 [K] T=300 [K] W W W WFF p p 0 0 0.5 0.5 11

A Fermi-szint definíciója: A Fermi-szint definíciója:

1.

1. Az az energiaszint, amelyet a szabad elektronok 50% valószínűséggel töltenek be.Az az energiaszint, amelyet a szabad elektronok 50% valószínűséggel töltenek be. 2.

2. Az a maximális energiaszint, amelyet az elektronok 0 K Az a maximális energiaszint, amelyet az elektronok 0 K

°°

-on még -on még betölthetbetölthetnek.nek. A Fermi-szint jelentőségét az adja, hogy az egyes anyagok–energia szerkezet A Fermi-szint jelentőségét az adja, hogy az egyes anyagok–energia szerkezet szempontjából- a Fermi- szintjükkel kapcsolódnak egymáshoz.

szempontjából- a Fermi- szintjükkel kapcsolódnak egymáshoz. A

A félvezetőanyagok fajlagos vezetőképessége( félvezetőanyagok fajlagos vezetőképessége( σ σ ) ) függ az elektron (n(T)) ill. lyuk (p(T))függ az elektron (n(T)) ill. lyuk (p(T))

koncentrációtól és az elektronok (

µµ

nn) illetve lyukak () illetve lyukak (

µµ

p p) mozgékonyságától. Az elektronok ) mozgékonyságától. Az elektronok

mozgékonysága nagyobb, mint a lyukak mozgékonysága (pl. szobahőmérsékleten Si mozgékonysága nagyobb, mint a lyukak mozgékonysága (pl. szobahőmérsékleten Si esetén 2.6-szor, míg GaAs esetén 22-szer nagyobb). A mozgékonyság is esetén 2.6-szor, míg GaAs esetén 22-szer nagyobb). A mozgékonyság is hőmérsékletfüggő. A lyukak és az elektronok mozgása ellentétes irányú, amely a lyukak hőmérsékletfüggő. A lyukak és az elektronok mozgása ellentétes irányú, amely a lyukak definíciója és keletkezési mechanizmusa alapján érthető.

definíciója és keletkezési mechanizmusa alapján érthető. A

A differenciális Ohm-törvénydifferenciális Ohm-törvény a mozgékonyság és a töltéshordozó koncentráció alapjána mozgékonyság és a töltéshordozó koncentráció alapján felírható: felírható: E E J J p p nn qq _nn _p_p

σσ

==

µµ

++

µµ

==

σσ

JJ az áramsűrűség. A térerő (az áramsűrűség. A térerő (EE) hatására létrejött áramot) hatására létrejött áramot drift áramnak drift áramnak nevezzük.nevezzük.

Intrinsic (saját) félvezetők Intrinsic (saját) félvezetők

A nagytisztaságú félvezetőkben termikus gerjesztés hatására létrejött vezetést A nagytisztaságú félvezetőkben termikus gerjesztés hatására létrejött vezetést sajátvezetésnek, az ilyen típusú félvezetőt

sajátvezetésnek, az ilyen típusú félvezetőt sajátvezetőnek (intrinsic)sajátvezetőnek (intrinsic) nevezzük. Anevezzük. A sajátvezetés és a saját töltéshordozó sűrűség is nagy mértékben függ a tiltott sáv szélessége sajátvezetés és a saját töltéshordozó sűrűség is nagy mértékben függ a tiltott sáv szélessége és a hőmérséklet viszonyától (

és a hőmérséklet viszonyától (

∆∆

W/T). Ha ez a hányados kicsi, akkor a saját töltéshordozóW/T). Ha ez a hányados kicsi, akkor a saját töltéshordozó sűrűség is kicsi és a vezetőképesség is kicsi.

sűrűség is kicsi és a vezetőképesség is kicsi.

A sajátvezetés töltéssűrűség koncentrációja kicsi és erősen hőmérsékletfüggő (mivel maga A sajátvezetés töltéssűrűség koncentrációja kicsi és erősen hőmérsékletfüggő (mivel maga a hőenergia váltja ki), ami hátrányos a stabil vezetés szempontjából, ezért a gyakorlatban a hőenergia váltja ki), ami hátrányos a stabil vezetés szempontjából, ezért a gyakorlatban szennyezett félvezetőket

szennyezett félvezetőket használunk, de a saját vezetés, mint fizikai jelenség minden 0 K használunk, de a saját vezetés, mint fizikai jelenség minden 0 K hőmérséklet felett üzemelő félvezetőben fellép. Léteznek félvezetők, amelyekben hőmérséklet felett üzemelő félvezetőben fellép. Léteznek félvezetők, amelyekben szándékosan hozunk létre intrinsic réteget, hogy a félvezető bizonyos –a felhasználás szándékosan hozunk létre intrinsic réteget, hogy a félvezető bizonyos –a felhasználás szempontjából fontos- tulajdonságait erősítsük (pl. pin-dióda).

szempontjából fontos- tulajdonságait erősítsük (pl. pin-dióda).

Szennyezett félvezetők (extrensic félvezetők): Szennyezett félvezetők (extrensic félvezetők):

A félvezető alapanyagok (Si, Ge, GaAs, SiC, stb.) 4 vegyértéke stabil kovalens kötésű A félvezető alapanyagok (Si, Ge, GaAs, SiC, stb.) 4 vegyértéke stabil kovalens kötésű rácsszerkezetet eredményez.

rácsszerkezetet eredményez.

A félvezető alapanyagokhoz adalékolt

A félvezető alapanyagokhoz adalékolt 5 vegyértékű anyag 5 vegyértékű anyag azt eredményezi, hogy egyazt eredményezi, hogy egy szabad (le nem kötött) elektron keletkezik minden szennyező atomra.

(6)

eredményez

eredményez. Az így kapott félvezető réteget. Az így kapott félvezető réteget n rétegnek n rétegnek nevezzük (a szabad töltéshordozók nevezzük (a szabad töltéshordozók töltése alapján), magát a szennyezést

töltése alapján), magát a szennyezést donor típusú szennyezésnek nevezzük.donor típusú szennyezésnek nevezzük.

3 vegyértékű szennyező anyag

3 vegyértékű szennyező anyag alkalmazása esetén egy szabad elektron hiány (lyuk)alkalmazása esetén egy szabad elektron hiány (lyuk) keletkezik minden szennyező atomra (a negatív töltés hiánya pozitív töltésként viselkedik keletkezik minden szennyező atomra (a negatív töltés hiánya pozitív töltésként viselkedik és a vezetésben úgy vesz részt mint az elektron, de ellentétes mozgási iránnyal). Az és a vezetésben úgy vesz részt mint az elektron, de ellentétes mozgási iránnyal). Az elektron hiány pozitív töltést, azaz

elektron hiány pozitív töltést, azaz p rétegetp réteget eredményez. A vezetésben csak a szabaderedményez. A vezetésben csak a szabad elektronok és lyukak vesznek részt. A 3 vegyértékű szennyezést

elektronok és lyukak vesznek részt. A 3 vegyértékű szennyezést akceptor típusúakceptor típusú szennyezésnek

szennyezésnek nevezzük.nevezzük.

Szennyezéssel a sajátvezetés töltéshordozóihoz képest sok nagyságrenddel több szabad Szennyezéssel a sajátvezetés töltéshordozóihoz képest sok nagyságrenddel több szabad töltéshordozót viszünk be a félvezető anyagba. Pl. Si anyagban a donor szennyezés töltéshordozót viszünk be a félvezető anyagba. Pl. Si anyagban a donor szennyezés mértéke tipikusan 10

mértéke tipikusan 102222/m/m33, , míg míg az az intrinsic intrinsic töltéshordozók töltéshordozók mennyiségemennyisége szobahőmérsékleten 10

szobahőmérsékleten 101616/m/m33. A töltésegyensúlyból meghatározható, hogy ez kb. 10. A töltésegyensúlyból meghatározható, hogy ez kb. 102222/m/m33 elektront és

elektront és 10101010/m/m33lyuk szabad töltéshordozót jelent.lyuk szabad töltéshordozót jelent.

Szennyezésre több olyan anyag is lehetőséget biztosít, amelynél a többlet elektron vagy Szennyezésre több olyan anyag is lehetőséget biztosít, amelynél a többlet elektron vagy lyuk már szobahőmérsékleten is szabaddá válhat, pl. 5 vegyértékű: As, P, Sb, 3 lyuk már szobahőmérsékleten is szabaddá válhat, pl. 5 vegyértékű: As, P, Sb, 3 vegyértékű: B, Al, Ga, In.

vegyértékű: B, Al, Ga, In. Az

Az akceptor típusú szennyezésakceptor típusú szennyezés esetén a szennyező anyag energia szintje a tiltott sávba aesetén a szennyező anyag energia szintje a tiltott sávba a vegyértéksávhoz közel esik, így a vezetés a szennyezett anyag vegyértéksávja és a vegyértéksávhoz közel esik, így a vezetés a szennyezett anyag vegyértéksávja és a szennyező anyag akceptor energia szintje között zajlik le.

szennyező anyag akceptor energia szintje között zajlik le.

Akceptor energia szint Akceptor energia szint Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W

Akceptor típusú szennyezés Akceptor típusú szennyezés

P típusú félvezető anyag P típusú félvezető anyag A

A donor típusú szennyezésdonor típusú szennyezés esetén a szennyező anyag energia szintje a tiltott sávba aesetén a szennyező anyag energia szintje a tiltott sávba a vezetési sávhoz közel esik, így a vezetés a szennyezett anyag vezetési sávja és a szennyező vezetési sávhoz közel esik, így a vezetés a szennyezett anyag vezetési sávja és a szennyező anyag donor energia szintje között zajlik le.

anyag donor energia szintje között zajlik le.

Donor energia szint Donor energia szint Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W

Donor típusú szennyezés Donor típusú szennyezés n típusú félvezető anyag n típusú félvezető anyag A szabad

A szabad töltéshordoztöltéshordozók meghatározó többsége a ók meghatározó többsége a szennyezésszennyezéssel bevitt töltéshordozók (lásdsel bevitt töltéshordozók (lásd a fenti példát), így a

(7)

A szennyezéssel bevitt töltéshordozókat (éppen meghatározó jellegük miatt)

A szennyezéssel bevitt töltéshordozókat (éppen meghatározó jellegük miatt) többségitöbbségi töltéshordozóknak

töltéshordozóknak , míg a termikus gerjesztés révén keletkező lyuk-elektron párokat, míg a termikus gerjesztés révén keletkező lyuk-elektron párokat kisebbségi

kisebbségi töltéshordozóknatöltéshordozóknak k nevezzük.nevezzük. A szennyezés mértékének jelölése

A szennyezés mértékének jelölése: : nn++ vagy pvagy p++ erősen szennyezett, nerősen szennyezett, n-- vagy pvagy p-- gyengéngyengén szennyezett, amely az n és p szennyezéshez képest értendő.

szennyezett, amely az n és p szennyezéshez képest értendő.

Degenerált félvezetők Degenerált félvezetők

Amennyiben a szennyezés mértéke eléri, vagy meghaladja az 5x10

Amennyiben a szennyezés mértéke eléri, vagy meghaladja az 5x10 2323/m/m33mértéket, akkor amértéket, akkor a Fermi-szint a vezetési sávba (n) vagy a vegyértéksávba (p) tolódik el a tiltott sávból. Ez a Fermi-szint a vezetési sávba (n) vagy a vegyértéksávba (p) tolódik el a tiltott sávból. Ez a félvezetőnek fémes vezető tulajdonságot kölcsönöz a vezetési, vagy a vegyértéksávban félvezetőnek fémes vezető tulajdonságot kölcsönöz a vezetési, vagy a vegyértéksávban levő nagy mennyiségű töltéshordozó miatt. Speciális félvezetőket készítenek a degenerált levő nagy mennyiségű töltéshordozó miatt. Speciális félvezetőket készítenek a degenerált félvezető anyagokból.

félvezető anyagokból. A hőmérséklet hatására a

A hőmérséklet hatására a termikusan gerjesztetermikusan gerjesztett intrinsic töltéshordozók száma rohamosantt intrinsic töltéshordozók száma rohamosan nő, míg az extrensic töltéshordozók mennyisége nem változik. Amennyiben az intrinsic nő, míg az extrensic töltéshordozók mennyisége nem változik. Amennyiben az intrinsic töltéshordozók száma megegyezik az extrensic töltéshordozók számával, azaz n

töltéshordozók száma megegyezik az extrensic töltéshordozók számával, azaz n ii=N=Naa vagyvagy

nnii=N=Ndd, akkor az eszköz sajátvezetésűvé válik (, akkor az eszköz sajátvezetésűvé válik ( tranzit hőmérséklet tranzit hőmérséklet ). A gyorsan növekvő). A gyorsan növekvő

számban keletkező töltéshordozók a belső hőmérsékletet emelik. A belső melegedés számban keletkező töltéshordozók a belső hőmérsékletet emelik. A belső melegedés következtében ez a folyamat tovább folytatódik és az eszköz a hőmérséklet hatására következtében ez a folyamat tovább folytatódik és az eszköz a hőmérséklet hatására tönkremegy.

tönkremegy. A működés során a félvezető hőmérsékletét minden esetben jóval a tranzit A működés során a félvezető hőmérsékletét minden esetben jóval a tranzit hőmérséklet alatt kell tartani.

hőmérséklet alatt kell tartani.

A félvezető anyagok gyártástechnikailag elérhető tisztasága, a kristályszerkezet torzulása a A félvezető anyagok gyártástechnikailag elérhető tisztasága, a kristályszerkezet torzulása a potenciálgát sérülését eredményezi, melynek következtében

potenciálgát sérülését eredményezi, melynek következtében elektron és lyuk csapdák elektron és lyuk csapdák alakulnak ki. Ezek a csapdák részt vesznek a vezetésben és lecsökkentik a töltéshordozók alakulnak ki. Ezek a csapdák részt vesznek a vezetésben és lecsökkentik a töltéshordozók várható élettartamát. Különösen erősen befolyásolja a működést az az eset amikor a csapda várható élettartamát. Különösen erősen befolyásolja a működést az az eset amikor a csapda közel a tiltott sáv közepén helyezkedik el, mert ekkor mind az elektronok, mind a lyukak közel a tiltott sáv közepén helyezkedik el, mert ekkor mind az elektronok, mind a lyukak elérik és mint

elérik és mint rekombinációs központ működik.rekombinációs központ működik. Az elektron és lyuk csapda esetén aAz elektron és lyuk csapda esetén a töltéshordozók átlagos élettartama sokkal hosszabb, mint a rekombinációs központ által töltéshordozók átlagos élettartama sokkal hosszabb, mint a rekombinációs központ által okozott rövid élettartam.

okozott rövid élettartam.

rekombinációs központ rekombinációs központ Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W elektron csapda elektron csapda lyuk csapda lyuk csapda

Az elektron/lyuk csapdák és a rekombinációs központok a félvezetők tulajdonságait Az elektron/lyuk csapdák és a rekombinációs központok a félvezetők tulajdonságait befolyásolják, pl. zaj, dinamikus viselkedés, stb. Van olyan eset amikor mesterségesen befolyásolják, pl. zaj, dinamikus viselkedés, stb. Van olyan eset amikor mesterségesen hozunk létre pl. rekombinációs központokat, mivel ez meggyorsítja a felhalmozott töltések hozunk létre pl. rekombinációs központokat, mivel ez meggyorsítja a felhalmozott töltések kisütését (gyors félvezetők, pl gyors dióda).

(8)

2.1.1.

2.1.1. A A pn pn átmenetátmenet

A p és n rétegnek a gyártás során kialakuló kapcsolata különböző fizikai folyamatok A p és n rétegnek a gyártás során kialakuló kapcsolata különböző fizikai folyamatok lezajlását eredményezi. Ennek megértését a sávelmélet alapján, a szabad töltéshordozók lezajlását eredményezi. Ennek megértését a sávelmélet alapján, a szabad töltéshordozók eloszlása és a belső elektromos tér segítségével szemléltetjük.

eloszlása és a belső elektromos tér segítségével szemléltetjük.

Tételezzünk fel két különbözőképen szennyezett hasáb alakú félvezetőt (a gyakorlatban Tételezzünk fel két különbözőképen szennyezett hasáb alakú félvezetőt (a gyakorlatban sohasem ilyen kialakításúak), amelyeket kontaktusba hozunk egymással. Jelöljük az ábrán sohasem ilyen kialakításúak), amelyeket kontaktusba hozunk egymással. Jelöljük az ábrán a többségi töltéshordozókat körrel. (A kiürített réteg a valóságban sokkal keskenyebb, mint a többségi töltéshordozókat körrel. (A kiürített réteg a valóságban sokkal keskenyebb, mint a többi réteg!) A

a többi réteg!) A

ρρ

a szabad töltéshordozók sűrűsége.a szabad töltéshordozók sűrűsége.

E E Jelölések: Jelölések: p többségi p többségi n többségi n többségi p kisebbségi p kisebbségi n kisebbségi n kisebbségi töltéshordozók töltéshordozók p

p réteg réteg kiürített kiürített réteg réteg n n rétegréteg

W WDD Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W xx --+ +

ρρ

Fermi szint Fermi szint

Az ábra a szabad töltéshordozók kristály-menti (x irányú) eloszlást szemlélteti. A többségi Az ábra a szabad töltéshordozók kristály-menti (x irányú) eloszlást szemlélteti. A többségi töltéshordozók gerjesztetlen állapotban a rácsszerkezethez kötve találhatók, szabad töltéshordozók gerjesztetlen állapotban a rácsszerkezethez kötve találhatók, szabad töltéshordozók döntően a

töltéshordozók döntően a kiürített rétegbenkiürített rétegben (további szokásos elnevezések (további szokásos elnevezések tértöltésitértöltési tartomány, átmeneti tartomány

tartomány, átmeneti tartomány) alakulnak ki.) alakulnak ki.

A pn átmenetben lezajló folyamatok: A pn átmenetben lezajló folyamatok:

A két rétegben, mivel a többségi töltéshordozók töltése ellentétes és a rétegekben A két rétegben, mivel a többségi töltéshordozók töltése ellentétes és a rétegekben koncentráció különbség van, megindul egy kiegyenlítő áram (

koncentráció különbség van, megindul egy kiegyenlítő áram ( diffúziós áramdiffúziós áram). A többségi). A többségi töltéshordozók a határfelületen (

töltéshordozók a határfelületen ( réteg, junctionréteg, junction) az ellentétes töltésük miatt közömbösítik ) az ellentétes töltésük miatt közömbösítik egymást. A kisebbségi töltéshordozók azonban állandóan keletkeznek és rekombinálódnak, egymást. A kisebbségi töltéshordozók azonban állandóan keletkeznek és rekombinálódnak, mivel ezeket a termikus gerjesztés hozta létre. Így a határfelületen csak kisebbségi mivel ezeket a termikus gerjesztés hozta létre. Így a határfelületen csak kisebbségi töltéshordozók maradnak, azok is rekombináció miatt olyan megoszlásban, hogy a p töltéshordozók maradnak, azok is rekombináció miatt olyan megoszlásban, hogy a p rétegben az n kisebbségi, n rétegben a p kisebbségi töltéshordozók koncentrációja sokkal rétegben az n kisebbségi, n rétegben a p kisebbségi töltéshordozók koncentrációja sokkal jelentősebb. Ez a töltésmegoszlás, mint egy sík kondenzátor viselkedik. A két oldal között jelentősebb. Ez a töltésmegoszlás, mint egy sík kondenzátor viselkedik. A két oldal között térerő alakul ki, amely a többségi töltéshordozók mozgása ellen hat. Minél szélesebb a térerő alakul ki, amely a többségi töltéshordozók mozgása ellen hat. Minél szélesebb a kiürített réteg annál nagyobb a belső térerő. Az így kialakult térerő azonban a kisebbségi kiürített réteg annál nagyobb a belső térerő. Az így kialakult térerő azonban a kisebbségi

(9)

töltésekre gyorsítóan hat és kialakul egy kisebbségi töltéshordozó áram is (

töltésekre gyorsítóan hat és kialakul egy kisebbségi töltéshordozó áram is ( drift áramdrift áram).). Termikus egyensúlyban a két áram (a diffúziós- és a drift áram) egyenlő.

Termikus egyensúlyban a két áram (a diffúziós- és a drift áram) egyenlő. A pn réteg aA pn réteg a külvilág felé elektromosan semleges, a fenti folyamatok a réteg belsejében zajlanak le.

külvilág felé elektromosan semleges, a fenti folyamatok a réteg belsejében zajlanak le. Az elektronoktól származó eredő áramsűrűség (J

Az elektronoktól származó eredő áramsűrűség (J nn ): ):













₊₊

==

dx dx dn dn D D E E nn qq J J _nn µ µ _nn _nn

A lyukak mozgásából származó eredő áramsűrűség (J A lyukak mozgásából származó eredő áramsűrűség (J p p ): ):













_µµ

₋₋

==

dx dx dn dn D D E E nn qq J J _p_p _p_p _p_p Az elektronok (D

Az elektronok (Dnn ) és a lyukak (D ) és a lyukak (D p p ) diffúziós együtthatója: ) diffúziós együtthatója:

qq kT kT D D qq kT kT D D p p p p nn nn

µµ

==

µµ

==

Az eredő áramsűrűség: Az eredő áramsűrűség:

p p nn J J J J J J

==

++

A belső térerő és a potenciálgát közötti összefüggés: A belső térerő és a potenciálgát közötti összefüggés:

qE qE W

W _D_D

==

Az alábbi ábra szemlélteti az elektronok drift és diffúziós áramát (lyukak esetén Az alábbi ábra szemlélteti az elektronok drift és diffúziós áramát (lyukak esetén ugyanilyen összefüggés van, de ellentétes mozgási iránnyal):

ugyanilyen összefüggés van, de ellentétes mozgási iránnyal): p

p réteg réteg kiürített kiürített réteg réteg n n rétegréteg

kisebbségi kisebbségi többségi többségi

A belső térerő egy

A belső térerő egy diffúziós potenciáltdiffúziós potenciált hoz létre a kiürített rétegben:hoz létre a kiürített rétegben:

22 ln ln ii d d aa D D nn N N N N qq kT kT U U

==

N

Naa az akceptor szennyezés, Naz akceptor szennyezés, Ndd a donor szennyezés, na donor szennyezés, nii a keletkező lyuk-elektron párok a keletkező lyuk-elektron párok

száma térfogategységben (azonos számú lyuk és elektron keletkezik hő hatására). A száma térfogategységben (azonos számú lyuk és elektron keletkezik hő hatására). A diffúziós feszültség az anyagtól, hőmérséklettől és a szennyezés mértékétől függ.

diffúziós feszültség az anyagtól, hőmérséklettől és a szennyezés mértékétől függ. qq kT kT U U _T_T

==

Az

Az UUTT az elektronika egy fontos paramétere ésaz elektronika egy fontos paramétere és termikus feszültségnek termikus feszültségnek nevezzük. Értékenevezzük. Értéke

szobahőmérsékleten 26 mV (mivel értéke a hőmérséklettel egyenesen arányos, néhány szobahőmérsékleten 26 mV (mivel értéke a hőmérséklettel egyenesen arányos, néhány szakirodalom ettől eltérő értéket használ -attól függően, hogy milyen hőmérsékletre szakirodalom ettől eltérő értéket használ -attól függően, hogy milyen hőmérsékletre vonatkoztatják- pl. 25 mV, 40 mV, stb.).

(10)

Példa a diffúziós potenciál meghatározására: Példa a diffúziós potenciál meghatározására:

Tételezzünk fel egy szokásos szennyezési arányt, pl. N

Tételezzünk fel egy szokásos szennyezési arányt, pl. Naa=3.10=3.102323/m/m33, , NNdd=3.10=3.102222/m/m33, , UUTT=26 mV.=26 mV.

Szobahőmérsékleten az

Szobahőmérsékleten az U U D Dértéke ilyen körülmények között Si esetén 0.81 értéke ilyen körülmények között Si esetén 0.81 V, Ge esetén 0.43 V, GaAs eseténV, Ge esetén 0.43 V, GaAs esetén

1.16 V. (A szokásos értékek Si esetén 0.5-0.8, Ge esetén 0.2-0.5, GaAs esetén 1.1-1.4 V.) 1.16 V. (A szokásos értékek Si esetén 0.5-0.8, Ge esetén 0.2-0.5, GaAs esetén 1.1-1.4 V.)

2.1.1.1.

2.1.1.1. A pn réteg A pn réteg gerjesztése gerjesztése külső feszültsékülső feszültséggelggel A pn rétegre kétféle módon kapcsolható feszültség kívülről:

A pn rétegre kétféle módon kapcsolható feszültség kívülről: A)

A) az n rétegre a p réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (az n rétegre a p réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva ( záróirány záróirány)) B)

B) a p rétegre az n réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (a p rétegre az n réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva ( nyitóiránynyitóirány))

A)

A) Záróirányú Záróirányú feszültség feszültség

A külső feszültség iránya olyan, hogy növeli a belső térerőt, azaz még jobban lezárja a A külső feszültség iránya olyan, hogy növeli a belső térerőt, azaz még jobban lezárja a félvezetőt. Az ábrán látható, hogy a potenciálgát megnő (W

félvezetőt. Az ábrán látható, hogy a potenciálgát megnő (WDD+W+Wk k , ahol W, ahol Wk k a külsőa külső

feszültség hatására létrejött belső energiaváltozás) és még kevesebb töltéshordozót enged feszültség hatására létrejött belső energiaváltozás) és még kevesebb töltéshordozót enged át. A diffúziós áram lecsökken, a drift áram

át. A diffúziós áram lecsökken, a drift áram megnő. Ennek hatására a kiürített réteg megnő.megnő. Ennek hatására a kiürített réteg megnő. A zárt áramkörben a kisebbségi töltéshordozók árama indul meg, amelynek nagysága csak A zárt áramkörben a kisebbségi töltéshordozók árama indul meg, amelynek nagysága csak csekély mértékben függ a rákapcsolt feszültségtől, nagyságát elsősorban a hőmérséklet csekély mértékben függ a rákapcsolt feszültségtől, nagyságát elsősorban a hőmérséklet szabja meg.

szabja meg.

A pn réteg tehát lezárt állapotban sem ideálisan zárt, mert folyik a kisebbségi A pn réteg tehát lezárt állapotban sem ideálisan zárt, mert folyik a kisebbségi töltéshordozók árama, amelyet gyakran

töltéshordozók árama, amelyet gyakran maradékáramkéntmaradékáramként vagyvagy visszáramkéntvisszáramként (optoelektronikai eszközök esetén sötétáramként) definiálunk (I

(optoelektronikai eszközök esetén sötétáramként) definiálunk (Ioo).).

A záróirányú feszültség növelésével, az eszköz a letörés határára kerülhet, amely A záróirányú feszültség növelésével, az eszköz a letörés határára kerülhet, amely tönkremenetelét okozhatja. A letörési jelenségekkel a 2.1.1.2. fejezet foglalkozik tönkremenetelét okozhatja. A letörési jelenségekkel a 2.1.1.2. fejezet foglalkozik részletesen.

részletesen.

Energia viszonyok záróirányú előfeszítés esetén: Energia viszonyok záróirányú előfeszítés esetén:

p p nn U Uk k W W D D W W k k q q U U D D + + q q U U k k Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W Fermi szint Fermi szint

(11)

B)

B) Nyitóirányú feszültségNyitóirányú feszültség

Nyitóirányban a p rétegre pozitívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre. Nyitóirányban a p rétegre pozitívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre.

p p nn U Uk k Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W q q ( ( U U - - D D U U k k ) ) Fermi szint Fermi szint

A külső feszültség iránya olyan, hogy csökkenti a diffúziós áramot akadályozó belső A külső feszültség iránya olyan, hogy csökkenti a diffúziós áramot akadályozó belső térerőt. Amennyiben a külső feszültség eléri a diffúziós potenciál értékét a potenciálgát térerőt. Amennyiben a külső feszültség eléri a diffúziós potenciál értékét a potenciálgát nem akadályozza tovább a többségi töltéshordozók áramát, így az áram rohamosan nem akadályozza tovább a többségi töltéshordozók áramát, így az áram rohamosan (exponenciálisan) növekszik.

(exponenciálisan) növekszik. A pn réteg árama:

A pn réteg árama:













−−

==

T T 11 k k U U U U oo ee I I I I

Tranziens folyamatok a nyitó és záró feszültségirány változtatása esetén: Tranziens folyamatok a nyitó és záró feszültségirány változtatása esetén:

Változtatva a rétegekre kapcsolt feszültség irányát az eszköz meghatározott sebességgel Változtatva a rétegekre kapcsolt feszültség irányát az eszköz meghatározott sebességgel kapcsol át az egyik állapotból a másikba. Különösen kritikus a sebesség szempontjából a kapcsol át az egyik állapotból a másikba. Különösen kritikus a sebesség szempontjából a nyitóirányból záróirányba történő váltás. A nyitóirányban felhalmozott többségi töltések nyitóirányból záróirányba történő váltás. A nyitóirányban felhalmozott többségi töltések kisütése (rekombinációja) időt igényel, mivel az átkapcsolás után csak kisebbségi kisütése (rekombinációja) időt igényel, mivel az átkapcsolás után csak kisebbségi töltéshordozók árama lesz, ami nagyságrendekkel kisebb áram, így a rekombináció is több töltéshordozók árama lesz, ami nagyságrendekkel kisebb áram, így a rekombináció is több időt igényel. Ez megnöveli az átkapcsolási időt (töltéstárolási idő). A folyamat gyorsítható időt igényel. Ez megnöveli az átkapcsolási időt (töltéstárolási idő). A folyamat gyorsítható rekombináci

rekombinációs centrumok kialakításával, ahol a ós centrumok kialakításával, ahol a közbenső energia szinten mind az közbenső energia szinten mind az elektron,elektron, mind a lyuk rekombinálható, pl. arany szennyezéssel gyorsíthatják az eszközt mind a lyuk rekombinálható, pl. arany szennyezéssel gyorsíthatják az eszközt (gyorskapcsol

(gyorskapcsoló ó dióda).dióda). 2.1.1.2.

2.1.1.2. Letörési jeLetörési jelenségek lenségek a pn a pn rétegbenrétegben

A záróirányú feszültség növelésével elérünk egy olyan feszültséget, amelynél a lezárt pn A záróirányú feszültség növelésével elérünk egy olyan feszültséget, amelynél a lezárt pn átmeneten egyre nagyobb áram folyik át. Ez a feszültség a

átmeneten egyre nagyobb áram folyik át. Ez a feszültség a letörési feszültség letörési feszültség (U(UBR BR ). ). AA

letörési folyamatok kialakulásának oka különböző lehet. A jelenség leírására két fizikai letörési folyamatok kialakulásának oka különböző lehet. A jelenség leírására két fizikai hatást alkalmaznak.

(12)

A)

A) Lavina Lavina (avalanche) (avalanche) hatáshatás

Nagy záróirányú feszültség hatására megnövekedett kiürített rétegben a szabad Nagy záróirányú feszültség hatására megnövekedett kiürített rétegben a szabad

töltéshordozók (kisebbségi) felgyorsulnak a rájuk nézve gyorsító hatású térben és nagy töltéshordozók (kisebbségi) felgyorsulnak a rájuk nézve gyorsító hatású térben és nagy energiára tesznek szert. A szabad elektronok beleütközve az atomszerkezethez kötött energiára tesznek szert. A szabad elektronok beleütközve az atomszerkezethez kötött elektronokba átadják energiájukat és további töltéshordozókat szakítanak ki. Ez a folyamat elektronokba átadják energiájukat és további töltéshordozókat szakítanak ki. Ez a folyamat ismétlődik és egy lavina-sokszorozás alakul ki a rétegben. A réteg tönkremenetelét a nagy ismétlődik és egy lavina-sokszorozás alakul ki a rétegben. A réteg tönkremenetelét a nagy záróirányú feszültséggel egyidőben kialakuló áram által keltett veszteségi teljesítmény záróirányú feszültséggel egyidőben kialakuló áram által keltett veszteségi teljesítmény okozza, amely jelentősen növeli a belső hőmérsékletet. A lavina hatás szennyezett okozza, amely jelentősen növeli a belső hőmérsékletet. A lavina hatás szennyezett félvezetőkben 6-7 V felett alakulhat ki a szennyezés mértékétől függően. A jelenség félvezetőkben 6-7 V felett alakulhat ki a szennyezés mértékétől függően. A jelenség lezajlásához nagy szabad úthossz kell a töltéshordozóknak, ezért hőmérséklet növekedése lezajlásához nagy szabad úthossz kell a töltéshordozóknak, ezért hőmérséklet növekedése esetén növekvő záróirányú feszültség kell a letöréshez. A letörési feszültség hőmérsékleti esetén növekvő záróirányú feszültség kell a letöréshez. A letörési feszültség hőmérsékleti együtthatója tehát pozitív.

együtthatója tehát pozitív.

B)

B) Alagút Alagút (Zener-) (Zener-) hatáshatás

Erősen szennyezett félvezetők esetén lép fel. Az erős szennyezés következtében a kiürített Erősen szennyezett félvezetők esetén lép fel. Az erős szennyezés következtében a kiürített réteg vékony lesz, amely azt eredményezi, hogy már alacsony záróirányú feszültség esetén réteg vékony lesz, amely azt eredményezi, hogy már alacsony záróirányú feszültség esetén is nagy térerő alakul ki. A vékony kiürített réteg és nagy térerő miatt közvetlen vezetés is nagy térerő alakul ki. A vékony kiürített réteg és nagy térerő miatt közvetlen vezetés indul meg az n-réteg vezetési és a p-réteg vegyértéksávja között.

indul meg az n-réteg vezetési és a p-réteg vegyértéksávja között.

Fermi szint Fermi szint Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vezetési sáv Vezetési sáv W W

Zener hatás 6 V alatti záróirányú feszültség esetén alakul ki. A Zener hatáshoz nem kell Zener hatás 6 V alatti záróirányú feszültség esetén alakul ki. A Zener hatáshoz nem kell nagy szabad úthossz, így a hőmérséklet növekedése esetén a növekvő számú kisebbségi nagy szabad úthossz, így a hőmérséklet növekedése esetén a növekvő számú kisebbségi töltéshordozó következtében a kiürített réteg vékonyabb lesz, azaz a letörési feszültség töltéshordozó következtében a kiürített réteg vékonyabb lesz, azaz a letörési feszültség hőmérsékleti együtthatója negatív.

hőmérsékleti együtthatója negatív. 2.1.2.

2.1.2. Fém-félvezető Fém-félvezető átmenetátmenet

A fémekben a vezetési és a vegyértéksáv közötti tiltott sáv szélessége nagyon kicsi, A fémekben a vezetési és a vegyértéksáv közötti tiltott sáv szélessége nagyon kicsi, gyakran a két sáv átlapolódik. A fém-félvezető átmenet tulajdonságait nagymértékben gyakran a két sáv átlapolódik. A fém-félvezető átmenet tulajdonságait nagymértékben befolyásolja a két réteg vezetési sáv szélességének energia különbsége és a szennyezés befolyásolja a két réteg vezetési sáv szélességének energia különbsége és a szennyezés mértéke. A gyakorlat számára a legnagyobb jelentősége (pl. Shottky-dióda) a mértéke. A gyakorlat számára a legnagyobb jelentősége (pl. Shottky-dióda) a

∆∆

WWcfémcfém>>

∆∆

WWcfélvezetőcfélvezető esetnek van, ahol a fém [Al (digitális áramkörök), illetve Au vagy Ptesetnek van, ahol a fém [Al (digitális áramkörök), illetve Au vagy Pt

(nagyfrekvenciás alkatrészek)] kontaktusba kerül Si vagy GaAs félvezetővel. (nagyfrekvenciás alkatrészek)] kontaktusba kerül Si vagy GaAs félvezetővel.

A fémben levő nagy számú töltéshordozó miatt kiürített réteg csak a félvezetőben A fémben levő nagy számú töltéshordozó miatt kiürített réteg csak a félvezetőben keletkezik, a fém felületén és a félvezető kiürített rétegében töltésmegoszlás keletkezik a keletkezik, a fém felületén és a félvezető kiürített rétegében töltésmegoszlás keletkezik a pn réteghez hasonlóan. A felhalmozott töltés azonban kisebb, ami gyorsabb működést tesz pn réteghez hasonlóan. A felhalmozott töltés azonban kisebb, ami gyorsabb működést tesz

lehetővé. lehetővé.

(13)

∆∆

WWcc ---- WWcfélvezetőcfélvezető W WFF W W c c f f é é m m vezetési sáv vezetési sáv vegyértéksáv vegyértéksáv fém

fém n félvezető rétegn félvezető réteg

A kevés szabad töltéshordozó miatt a kiürített réteg ellenállása nagyobb, mint akár a fém A kevés szabad töltéshordozó miatt a kiürített réteg ellenállása nagyobb, mint akár a fém akár a félvezető ellenállása volt. Alapállapotban (ábra szerint) a félvezetőn az egyensúlyt a akár a félvezető ellenállása volt. Alapállapotban (ábra szerint) a félvezetőn az egyensúlyt a fémből a félvezetőbe és a félvezetőből folyó áram egyensúlya tartja fenn. Az eszköz fémből a félvezetőbe és a félvezetőből folyó áram egyensúlya tartja fenn. Az eszköz kívülről villamosan semleges, a belső vagy diffúziós feszültség tartja fenn az egyensúlyt. A kívülről villamosan semleges, a belső vagy diffúziós feszültség tartja fenn az egyensúlyt. A kialakuló diffúziós feszültség is kisebb, mint Si alapanyagú pn réteg esetén:

kialakuló diffúziós feszültség is kisebb, mint Si alapanyagú pn réteg esetén: qq W W U U cc D D

∆∆

==

Ha az n rétegre negatívabb feszültséget kapcsolunk, akkor csökken a potenciálgát a két Ha az n rétegre negatívabb feszültséget kapcsolunk, akkor csökken a potenciálgát a két réteg között, diffúziós áram indul. Ez az eszköz nyitóirányú előfeszítése.

réteg között, diffúziós áram indul. Ez az eszköz nyitóirányú előfeszítése.

Fordított előfeszítés esetén a fémből eredő töltéshordozók mennyisége nem változik, de a Fordított előfeszítés esetén a fémből eredő töltéshordozók mennyisége nem változik, de a félvezetőből származó töltéshordozók száma lecsökken, a kiürített réteg nő. A félvezetőből származó töltéshordozók száma lecsökken, a kiürített réteg nő. A fém-félvezető dióda tehát egyenirányító jellegű.

félvezető dióda tehát egyenirányító jellegű. Ha a félvezető réteg erősen szennyezett (pl. n

Ha a félvezető réteg erősen szennyezett (pl. n++, degenerált félvezető), akkor az átmenet úgy, degenerált félvezető), akkor az átmenet úgy viselkedik, mintha két fémet hoztunk volna kontaktusba. Ezt a megoldást alkalmazzák, viselkedik, mintha két fémet hoztunk volna kontaktusba. Ezt a megoldást alkalmazzák, amikor egy félvezető lábat, illetve annak fémmel a réteghez vezetett jelét a amikor egy félvezető lábat, illetve annak fémmel a réteghez vezetett jelét a félvezető

félvezetőréteghez erősen szennyezett réteghez erősen szennyezett rétegen keresztül vezetjük rétegen keresztül vezetjük be integrált be integrált áramkörökben.áramkörökben. Így a réteg és a fémkivezetés közötti ellenállás kicsi lesz, ami előnyös a félvezető üzemére. Így a réteg és a fémkivezetés közötti ellenállás kicsi lesz, ami előnyös a félvezető üzemére.

2.1.3.

2.1.3. Termikus Termikus hatások hatások félvezetőkbenfélvezetőkben

Az elektron mozgása során -egyik rétegből a másikba- egyben energia is transzportálódik, Az elektron mozgása során -egyik rétegből a másikba- egyben energia is transzportálódik, méghozzá hő formájában. A szállított hő arányos a szállított elektronok mennyiségével. méghozzá hő formájában. A szállított hő arányos a szállított elektronok mennyiségével.

Peltier-hatás: Peltier-hatás:

Két anyagon (félvezetőrétegen) U feszültség hatására átfolyó Q töltés által továbbított W Két anyagon (félvezetőrétegen) U feszültség hatására átfolyó Q töltés által továbbított W energia aránya a

energia aránya a Peltier-együttható Peltier-együttható :: I I P P Q Q W W P P

==

α

Ha egy félvezetőt két fém közé helyezünk és feszültséget kapcsolunk a fémekre, akkor az Ha egy félvezetőt két fém közé helyezünk és feszültséget kapcsolunk a fémekre, akkor az egyik fémből a másikba mozoghatnak a töltések és ezzel a hőenergia, az átmenetek egyik fémből a másikba mozoghatnak a töltések és ezzel a hőenergia, az átmenetek egyenirányító hatása és a rétegek energia viszonyai miatt. Az n és p rétegeket egymástól egyenirányító hatása és a rétegek energia viszonyai miatt. Az n és p rétegeket egymástól fémmel elválasztva felváltva alkalmazzuk akkor egy Peltier- termoelektromos hűtőt fémmel elválasztva felváltva alkalmazzuk akkor egy Peltier- termoelektromos hűtőt kapunk, amelynek a mindennapi életen túl a félvezetők aktív hűtéseiben is egyre növekvő kapunk, amelynek a mindennapi életen túl a félvezetők aktív hűtéseiben is egyre növekvő szerepe van.

(14)

Ha a két anyag két ponton úgy csatlakozik, hogy azok különböző hőmérsékleten vannak, Ha a két anyag két ponton úgy csatlakozik, hogy azok különböző hőmérsékleten vannak, akkor fellép a

akkor fellép a Seebeck-hatás Seebeck-hatás. Ezt a jelenséget a termoelektromos átalakítóknál használják . Ezt a jelenséget a termoelektromos átalakítóknál használják ki hőmérséklet mérésére (hőelemek).

ki hőmérséklet mérésére (hőelemek).

T T T T V V P P S S T T S S α α α α α α

==

∆∆

==

→ → ∆∆limlim00

Ha egy anyagon belül van hőmérséklet különbség akkor fellép a

Ha egy anyagon belül van hőmérséklet különbség akkor fellép a Thomson-hatásThomson-hatás. Ennek a. Ennek a jelenségne

(15)

2.2. Kétrétegű félvezetők

Két félvezető réteggel számos félvezetőt építenek. Gyakorlatilag a pn rétegben lezajló Két félvezető réteggel számos félvezetőt építenek. Gyakorlatilag a pn rétegben lezajló minden pozitív és negatív folyamat alapján készítenek eszközöket, mivel ami az egyik minden pozitív és negatív folyamat alapján készítenek eszközöket, mivel ami az egyik felhasználási terület szempontjából hátrányos, az a másikból előnyös lehet, pl. kapacitás a felhasználási terület szempontjából hátrányos, az a másikból előnyös lehet, pl. kapacitás a kiürített rétegben hátrányos a sebesség szempontjából, de ezen alapulnak a varicap diódák kiürített rétegben hátrányos a sebesség szempontjából, de ezen alapulnak a varicap diódák vagya letörési jelenség hátrányos a normál diódánál, de ezen alapulnak a Zener-diódák, vagya letörési jelenség hátrányos a normál diódánál, de ezen alapulnak a Zener-diódák, stb.

stb.

A pn átmeneten alapuló eszközök egy jelentős csoportját alkotják az optoelektronikai A pn átmeneten alapuló eszközök egy jelentős csoportját alkotják az optoelektronikai alkatrészek, azonban speciális tulajdonságaik és felhasználásuk miatt egy külön fejezet (4. alkatrészek, azonban speciális tulajdonságaik és felhasználásuk miatt egy külön fejezet (4. fejezet) foglalkozik velük.

fejezet) foglalkozik velük.

A továbbiakban a leggyakoribb kétrétegű félvezető eszközök tulajdonságait és alkalmazási A továbbiakban a leggyakoribb kétrétegű félvezető eszközök tulajdonságait és alkalmazási területeit tekintjük át.

területeit tekintjük át.

2.2.1. Dióda 2.2.1. Dióda

A legalapvetőbb, leggyakrabban alkalmazott kétrétegű, egy pn átmenetet tartalmazó A legalapvetőbb, leggyakrabban alkalmazott kétrétegű, egy pn átmenetet tartalmazó eszköz a dióda (léteznek egyéb egyátmenetű eszközök is, azonban speciális felhasználási eszköz a dióda (léteznek egyéb egyátmenetű eszközök is, azonban speciális felhasználási területeik miatt itt nem foglalkozunk velük, pl. az egyátmenetű tranzisztor az UJT, amelyet területeik miatt itt nem foglalkozunk velük, pl. az egyátmenetű tranzisztor az UJT, amelyet elsősorban az impulzustechnikában és teljesítményelektronikában használnak).

elsősorban az impulzustechnikában és teljesítményelektronikában használnak). A dióda jelölése és a kivezetések elnevezései:

A dióda jelölése és a kivezetések elnevezései:

Katód Katód Anód Anód 2.2.1.1.

2.2.1.1. Dióda kaDióda karakterisztika, rakterisztika, paraméterek paraméterek

U UDR DR U UBR BR UUBRnBRn _II_oo nyitóirányú előfeszítés nyitóirányú előfeszítés U UDFnDFn IIDFnDFn IIDR DR IIDFDF U UDFDF záróirányú záróirányú előfeszítés előfeszítés A dióda nyitóirányban (U

A dióda nyitóirányban (UDFDF,I,IDFDF) akkor van előfeszítve, ha az anódján a feszültség) akkor van előfeszítve, ha az anódján a feszültség

pozitívabb, mint a katódján. Záróirányban (U

pozitívabb, mint a katódján. Záróirányban (UDR DR ,I,IDR DR ) az előfeszítés iránya ellentétes. A) az előfeszítés iránya ellentétes. A

záróirányú karakterisztika áram tengelyének (I

záróirányú karakterisztika áram tengelyének (IR R ) léptékezése eltér a nyitóirányú) léptékezése eltér a nyitóirányú

karakterisztikáétól a záróirányú áram bemutatása érdekében (a záróirányú áram a karakterisztikáétól a záróirányú áram bemutatása érdekében (a záróirányú áram a nyitóirányú áramhoz képest több

(16)

A dióda viselkedését nyitóirányban leírhatjuk a

A dióda viselkedését nyitóirányban leírhatjuk a dióda egyenlettel dióda egyenlettel ::













−−

==

T T 11 DF DF mU mU U U oo D D I I ee I I Ahol:

Ahol: IIoo a maradékáram/visszáram (a kisebbségi töltéshordozók árama, mivel értéke aa maradékáram/visszáram (a kisebbségi töltéshordozók árama, mivel értéke a

hőmérséklettől függ, így a záróirányú feszültség –eltekintve a felületi hőmérséklettől függ, így a záróirányú feszültség –eltekintve a felületi töltésszivárgástól- értékét nem befolyásolja)

töltésszivárgástól- értékét nem befolyásolja) U

UDFDF a dióda nyitóirányú feszültségea dióda nyitóirányú feszültsége

U

UTT a termikus feszültség, értékét ált. 26 mV-ra vesszük (a termikus feszültség, értékét ált. 26 mV-ra vesszük (

∼∼

23 C23 C

°°

))

m

m korrekciós tényező (értéke 1…2 között változik), amely a szennyezés mértékétőlkorrekciós tényező (értéke 1…2 között változik), amely a szennyezés mértékétől függ. Normál diódáknál értékét 1-nek vesszük.

függ. Normál diódáknál értékét 1-nek vesszük.

A dióda nyitóirányú árama egy adott feszültégtől kezdve rohamosan nő. Ez a feszültség A dióda nyitóirányú árama egy adott feszültégtől kezdve rohamosan nő. Ez a feszültség jellemző az adott dióda típusra, pl. Si diódák esetén 0,5…0,8 V között (a szennyezés jellemző az adott dióda típusra, pl. Si diódák esetén 0,5…0,8 V között (a szennyezés mértékétől függően), GaAs diódák esetén 1,1…1,4 V között, Ge diódák esetén 0,2…0,5 V mértékétől függően), GaAs diódák esetén 1,1…1,4 V között, Ge diódák esetén 0,2…0,5 V között (egyenlő a belső diffúziós potenciál értékével).

között (egyenlő a belső diffúziós potenciál értékével).

A fenti egyenlet kis áramok esetén igaz, mert növekvő áramoknál a rétegek, a A fenti egyenlet kis áramok esetén igaz, mert növekvő áramoknál a rétegek, a hozzávezetések valamint a csatlakozási pontok ohmos ellenállása nem hanyagolható el, így hozzávezetések valamint a csatlakozási pontok ohmos ellenállása nem hanyagolható el, így azok lesznek a dominánsak (a karakterisztika –az ohmos ellenállásnak azok lesznek a dominánsak (a karakterisztika –az ohmos ellenállásnak megfelelően-egyenesbe megy át).

egyenesbe megy át).

Jellemző statikus paraméterek: Jellemző statikus paraméterek:

nyitóirányú névleges áram

nyitóirányú névleges áram IIDFnDFn (a diódán átfolyó szinuszos alakú áram lineáris(a diódán átfolyó szinuszos alakú áram lineáris

középértéke), középértéke),

Egyenirányító kapcsolásokban (lásd 5. fejezet) fontos jellemző a

Egyenirányító kapcsolásokban (lásd 5. fejezet) fontos jellemző a periodikus periodikus csúcsáram

csúcsáram (max. áramcsúcs periodikus terhelés esetén), valamint az(max. áramcsúcs periodikus terhelés esetén), valamint az aperiodikus csúcsáram

aperiodikus csúcsáram (általában bekapcsoláskor fellépő legnagyobb(általában bekapcsoláskor fellépő legnagyobb áramcsúcs).

áramcsúcs).

névleges nyitóirányú feszültség

névleges nyitóirányú feszültség UUDFnDFn,,

Maximális veszteségi teljesítmény

Maximális veszteségi teljesítmény PPDmaxDmax,, amely a nyitóirányú áram és a diódaamely a nyitóirányú áram és a dióda

feszültségének szorzata, feszültségének szorzata, Visszáram

Visszáram IIoo

Névleges letörési feszültség

Névleges letörési feszültség UUBRnBRn, amely a tényleges letörési feszültség (U, amely a tényleges letörési feszültség (UBR BR ) 2/3) 2/3

része. része.

A pn átmenet tulajdonságai erősen

A pn átmenet tulajdonságai erősen hőmérséklet-függőek hőmérséklet-függőek , amely a dióda tulajdonságaiban is, amely a dióda tulajdonságaiban is megjelenik. Nemcsak a záróirányú áram (maradékáram), hanem a nyitóirányú megjelenik. Nemcsak a záróirányú áram (maradékáram), hanem a nyitóirányú karakterisztika is eltolódik a hőmérséklet függvényében:

karakterisztika is eltolódik a hőmérséklet függvényében:

oo C C mV mV T T U U állandó állandó I I D D

_≅≅

₋₋

₂₂_..._...

₋₋

₃₃ _//

∂∂

==

Ez a hátrányos tulajdonság előnyös is lehet, amikor a pn átmenetet hőmérséklet mérésére Ez a hátrányos tulajdonság előnyös is lehet, amikor a pn átmenetet hőmérséklet mérésére használjuk fel.

(17)

A dióda (pn átmenet) dinamikus tulajdonságai A dióda (pn átmenet) dinamikus tulajdonságai

Vizsgáljuk meg a dióda viselkedését az alábbi kapcsolásban Vizsgáljuk meg a dióda viselkedését az alábbi kapcsolásban

uuDD tt tt_tt ttkiki tt be be uuGG(t)(t) R R uuDD(t)(t) uuGG(t)(t) tt

A dióda jellemző dinamikus paraméterei t

A dióda jellemző dinamikus paraméterei t be be (bekapcsolási idő, amely a felfutási és a(bekapcsolási idő, amely a felfutási és a

késleltetési időből tevődik össze) valamint a t

késleltetési időből tevődik össze) valamint a tkiki (kikapcsolási idő, amely a töltéstárolási(kikapcsolási idő, amely a töltéstárolási

időből -t

időből -ttt- és a lefutási időből tevődik össze).- és a lefutási időből tevődik össze).

A töltéstárolási idő döntően befolyásolja a dióda gyorsaságát. Oka a nyitóirányban a A töltéstárolási idő döntően befolyásolja a dióda gyorsaságát. Oka a nyitóirányban a rétegben felhalmozott jelentős mennyiségű szabad töltéshordozó, amelynek kisütése időt rétegben felhalmozott jelentős mennyiségű szabad töltéshordozó, amelynek kisütése időt igényel, különösen akkor, ha a dióda nyitóból záróirányba kerül és így a töltésáramlás igényel, különösen akkor, ha a dióda nyitóból záróirányba kerül és így a töltésáramlás lecsökken. A

lecsökken. A gyorskapcsoló diódák gyorskapcsoló diódák esetén ezt az értéket a szennyezés beállításával és aesetén ezt az értéket a szennyezés beállításával és a megfelelő réteg konstrukcióval szorítják le. Különösen nagy sebességű diódákat vagy megfelelő réteg konstrukcióval szorítják le. Különösen nagy sebességű diódákat vagy

Shottky-diódával

Shottky-diódával vagyvagy PIN diódával PIN diódával valósítunk meg. Avalósítunk meg. A nagy frekvenciás diódák nagy frekvenciás diódák eltérőeltérő kialakításúak a GHz tartományban fellépő jelenségek miatt pl. Gunn, IMPATT, stb. kialakításúak a GHz tartományban fellépő jelenségek miatt pl. Gunn, IMPATT, stb. diódák. Az

diódák. Az egyenirányító és teljesítmény diódák egyenirányító és teljesítmény diódák esetében a melegedési problémák esetében a melegedési problémák jelentőse

jelentősebbek, így bbek, így azokat arra azokat arra konstruáljákonstruálják.k. 2.2.1.2.

2.2.1.2. Diódák Diódák alkalmazásaalkalmazása A diódák legfontosabb alkalmazásai:

A diódák legfontosabb alkalmazásai:

Egyenirányítás:

Egyenirányítás: az egy- és háromfázisú egyenirányító kapcsolások, amelyek közülaz egy- és háromfázisú egyenirányító kapcsolások, amelyek közül az egyfázisú kapcsolásokat az 5. fejezet (Tápegységek) tárgyalja részletesen. az egyfázisú kapcsolásokat az 5. fejezet (Tápegységek) tárgyalja részletesen.

Nemlineáris karakterisztikák megvalósítása:

Nemlineáris karakterisztikák megvalósítása: pl. exponenciális és logaritmikuspl. exponenciális és logaritmikus karakterisztika /3. fejezet/, függvények törtvonalas közelítése, nemlineáris karakterisztika /3. fejezet/, függvények törtvonalas közelítése, nemlineáris karakterisztikák az irányítástechnikában, stb. karakterisztikák az irányítástechnikában, stb. 2.2.2. Zener-dióda 2.2.2. Zener-dióda Katód Katód Anód Anód A Zener-dióda áramköri jelölése:

A Zener-dióda áramköri jelölése:

A Zener-diódák olyan kétrétegű félvezetők, amelyek tartósan a letörési tartományban A Zener-diódák olyan kétrétegű félvezetők, amelyek tartósan a letörési tartományban dolgoznak. A legtöbb félvezető elérve a letörési feszültség határértékét tönkremegy, dolgoznak. A legtöbb félvezető elérve a letörési feszültség határértékét tönkremegy, elsősorban a jelenség hatására a rétegekben egyre növekvő hőmérséklettől. A Zener-dióda elsősorban a jelenség hatására a rétegekben egyre növekvő hőmérséklettől. A Zener-dióda esetében azonban az ilyenkor keletkező hőmennyiség elvezetését megoldották és az eszköz esetében azonban az ilyenkor keletkező hőmennyiség elvezetését megoldották és az eszköz