12. Félvezetés elemi elmélete

Question 1

félvezetők

Mik a félvezetők meghatározó tulajdonságai?

Answer 1

Az ellenállásuk adott tisztaságon nagyon más volt más helyeken mérve.
* pl.: szilícium, germánium

Négy vegyértékű anyagok, nagy részük gyémántszerkezetben kristályosodik.
* négy vegyérték: minden atomtól egyforma távolságra négy másik van, kovalens kötések
* nem tudnak vezetni, mert nincsenek szabad töltéshordozók

Kötés felszakításához energiagátat kell legyőzni (termikus gerjesztés).
* insert ábra: alsó parabola a kötési sáv, felső a vezetési sáv
* félvezetőknél a kettő sáv energiakülönbsége: E(gap) < 1,5 eV
* termikus gerjesztés hatására nő a valószínűsége, hogy az elektron feljut vezetési sávba: kötés felszakadása

Question 2

félvezetők

Félvezetők hőmérsékletfüggése? Vezető melegítése?

Answer 2

A félvezetők nagyon erősen függnek a hőmérséklettől. Adott hőméréskleten kiszakadó elektronok (kötések) száma:
n(T) ~ T^(3/2)exp(–1/k(B)T)

Vezető melegítésekor csökken az ellenállás és nő a vezetőképesség. Feszültség rákapcsolásakor áram folyik, felmelegszik az anyag, nő a mozgóképestöltések száma, azaz nő az áram is, ezért az anyag (pl. Si lap) meg fog olvadni (ezt kell megakadályozni különböző módszerekkel).

Question 3

dópolt vezető

Mi a dópolás, hogyan csinálják? Típusai?

Answer 3

Dópolás: szennyeződések bevitele az anyagba. Mozgóképes töltéseket visznek a rendszerbe, ami által megváltozik az anyag ellenállása.
* régen rápárologtatás, diffúzió, ma ionizált atomok belövése

n-típusú szennyezés:
* egy eredeti 4 vegyértékű atom kicserélése egy 5 vegyértékűre
* 4 kovalens kötés + 1 extra mozgóképes töltéshordozó
* pl.: bór

p-típusú szennyezés:
* egy eredeti 4 vegyértékű atom kicserélése egy 3 vegyértékűre
* kötéshiány megjelenése
* pl.: arzén

Question 4

dópolt vezető

Mi a maszkolás?

Answer 4

Először az egész anyagot egy típusúra szennyezik, majd ablak (maszk) segítségével egy részére jut be csak a másik típusú szennyezés, így az n és p típusok váltják egymást.

Question 5

dióda

Mi a dióda és hogy működik?

Answer 5

Egymás mellé helyeznek p- és n-típusú vezetőket, amelyek között átmenet fog megjelenni.

• a két oldalon más a kémiai potenciál, elektromos potenciálkülönbség alakul ki, a határrétegen lokalizált töltések lesznek az egyensúly beállta után
• p oldalra nagy feszültség: potenciálkülönbség és tértöltés csökken, határréteg elvékonyodik, meghatározott feszültség után teljesen megszűnik a tértöltés, töltések szabadon áramlanak, vezető lesz
• n oldalra nagy feszültség: előbbiek növekednek, kevésbé lesz vezető

A félvezető a breakdown voltage-nél elolvad.

Question 6

tranzisztor

Mi a transzisztor és hogy működik?

Answer 6

Három szennyezett vezetőből áll, lehet p-n-p és n-p-n típusú. Három elektróda: kettő a széleken és egy középen (p-n-p: emitter, bázis, kollektor; n-p-n: kollektor, bázis, emitter).
* kollektor- és emitteráram: I(c) = αI(e), ahol α ≈ 0,95
* Kirchoff-törvénye alapján: I(e) = I(c) + I(b)
* kollektor- és bázisáram: I(c) = [α/(1–α)]I(b) = βI(b), ahol β ≈ 100
* a kollektoráram a bázisáram 100-szorosa kb.
* áramerősítőként is használható, csak legyen a bázis nagyon vékony

Question 7

erősítő

Erősítőnél az erősítés mértéke?

Answer 7

A bázisáramon létrehozott változásnak a kollektoráram 100-szorosa kapódik.
A = ΔU(ki)/ΔU(be) = βR(c)/[R(b) + R(e)(1+β)] ≈ –R(c)/R(e)
Ez a mennyiség független a transzisztor tulajdonságaitól, csak félvezetőkkel bármilyen áramkör előállítható.