KURZUS: Járművillamosság és elektronika 2.

MODUL: I. modul: Diszkrét elektronikai alkatrészek

2. lecke: Félvezető alapú elektronikai alkatrészek

| A lecke tanulásának a célja: Az elektronikai építőelemek közül a félvezető alapú alkatrészek felépítésének és működésének alapszintű megismerése.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatóknak ismerniük kell a félvezető alapú áramköri elemek (diódák, tranzisztorok) szimbólumait, jellemzőit, fontosabb paramétereit. A megértéshez szükséges a PN átmenetek működésének megértése.
Dr. Kovács Ernő - Elektronika I. Elektronikai alapismeretek, diszkrét félvezetők, erősítők, műveleti erősítők I. Borbély Gábor - Elektronika I. Elektronikai alapkapcsolások félvezető eszközök alkalmazásával
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Félvezető elmélet alapjai
Az anyagok osztályozása vezetőképesség szerint:
Vezetők (fémek): Nagyszámú szabad töltéshordozóval rendelkeznek, mint pl. ezüst, arany, réz. Nem vezetők (szigetelők): Gyakorlatilag nincs szabad töltéshordozójuk, mint pl. teflon, alumínium-oxid. Félvezetők: A szabad töltéshordozók száma alapesetben a szigetelők és vezetők között helyezkedik el, mint pl. szilícium, germánium, gallium-arzenid.
A félvezető alapanyagok (Si, Ge, GaAs, SiC stb.) 4 vegyértéke stabil kovalens kötésű rácsszerkezetet eredményez. A nagytisztaságú félvezetőkben termikus gerjesztés hatására létrejött vezetést sajátvezetésnek, az ilyen típusú félvezetőt sajátvezetőnek (intrinsic) nevezzük. A speciálisan szennyezett félvezetőket (extrensic) mesterséges adalékossal hozzák létre, amelynek köszönhetően különböző fizikai jellemzőkkel rendelkező félvezető anyagokat lehet létrehozni. Az adalékolásnak két típusa van:
Donor típusú szennyezés: A félvezető alapanyagokhoz adalékolt 5 vegyértékű anyag (As, P, Sb) azt eredményezi, hogy egy szabad (le nem kötött) elektron keletkezik minden szennyező atomra. Ez elektron többletet eredményez és az így kapott félvezető réteget n rétegnek nevezzük. Akceptor típusú szennyezés: 3 vegyértékű szennyező anyag (B, Al, Ga, In) alkalmazása esetén egy elektron hiány (lyuk) 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 így kapott félvezető réteget p rétegnek nevezzük.
A szabad töltéshordozók meghatározó többsége a szennyezéssel bevitt töltéshordozók lesznek, amelyek a vezetésben részt fognak venni. Szennyezéssel a sajátvezetés töltéshordozóihoz képest sok nagyságrenddel több szabad töltéshordozót viszünk be a félvezető anyagba.
A szennyezéssel bevitt töltéshordozókat (éppen meghatározó jellegük miatt) többségi töltéshordozóknak, míg a termikus gerjesztés révén keletkező lyuk-elektron párokat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük.
PN átmenet
A félvezető kristályban különböző szennyezettségű rétegek alakíthatók ki, amelyek határán PN szennyezés átmenet jön létre. Az átmeneten a töltéssűrűség ugrásszerűen változik, ezért egy p és egy n típusú réteg képzeletbeli összeillesztésének pillanatában a töltéskiegyenlítődés miatt nagy diffúziós lyuk és elektronáram indul meg külső feszültség rákapcsolása nélkül. A PN átmeneten keresztül nagyszámú lyuk áramlik a p oldalról az n oldalra és ugyancsak nagyszámú elektron az n oldalról a p oldalra.
Az átmenet két oldalán az oda átdiffundált töltéshordozók az egyensúlyi töltéshordozó-sűrűséghez képest többlet töltéshordozókat jelentenek és az átmenet közelében az ott levő többségi töltéshordozókkal rekombinálódnak. Egyrészt a rekombináció miatt, másrészt a diffúzió miatt a többségi töltéshordozó-sűrűség az átmenet két oldalán lecsökken, egy olyan réteg keletkezik, amelyből "elfogytak" a töltéshordozók, így kiürített réteg, vagy másképpen záróréteg alakul ki. Ez szilícium alapanyag esetén ~0,7 V, germánium esetén ~0,3 V potenciálgátat eredményez a két oldal között. Zérus külső feszültség esetén a külső áramkörben nem folyik áram, a PN átmenet drift és diffúziós árama kiegyenlíti egymást.
PN átmenet töltéshordozó eloszlása
1. ábra
Diffúziós áram: Amennyiben a félvezetőben töltéshordozó koncentráció különbség van, külső erőtér nélkül is folyik áram; a töltéshordozók az egyenletes sűrűségeloszlásra törekszenek. A többségi töltéshordozók a határfelületen (réteg, junction) az ellentétes töltésük miatt közömbösítik egymást. Az egyenlőtlen sűrűségeloszlás a töltéshordozók folyamatos pótlásával és elszállításával fenntartható, ekkor a kristályban állandó áram folyik.
Drift (sodródási) áram: a félvezetőben a belső vagy külső villamos tér hatására létrejövő áram. A félvezető kristályban a villamos térerősség hatására a szabad töltéshordozók mozgásának kitüntetett iránya van. A lyukak a tér irányába, az elektronok a tér irányával ellentétesen mozognak, sebességük arányos a villamos tér nagyságával és az illető töltéshordozó mozgékonyságával. A mozgékonyság függ a félvezető anyagától, a töltéshordozók számától és a kristály hőmérsékletétől. A mozgékonyság a hőmérséklet növekedésekor csökken. A térerősség növelésével kezdetben lineárisan nő a töltéshordozók sebessége, majd egy bizonyos határon túl a sebesség már nem növekszik, gyakorlatilag független a térerősségtől. Igen nagy térerősségnél, egy kritikus értéken felül, a sebesség ugrásszerűen megnövekszik, "átütés" következik be.
PN átmenet gerjesztése külső feszültséggel két módon lehetséges:
Az n rétegre a p réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (záróirány). A p rétegre az n réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (nyitóirány).
Nyitó- és záróirányú előfeszítés a PN átmenetben
2. ábra
Letörési jelenségek a PN átmenetben
Lavina (avalanche) hatás: Nagy záróirányú feszültség hatására megnövekedett kiürített rétegben (nagy szabad úthossz) a szabad töltéshordozók (kisebbségi) felgyorsulnak a rájuk nézve gyorsító hatású térben és nagy energiára tesznek szert. A szabad elektronok ütközve az atomszerkezethez kötött elektronokba átadják energiájukat és további töltéshordozókat szakítanak ki, tesznek szabaddá. Ez a folyamat ismétlődik és egy lavina-sokszorozás alakul ki a rétegben. A réteg tönkremenetelét a nagy záróirányú feszültséggel egy időben kialakuló jelentős áram által keltett veszteségi teljesítmény okozza, amely jelentősen növeli a belső hőmérsékletet. Gyengén szennyezett átmeneteknél fordul elő. Alagút (Zener) hatás: Erősen szennyezett félvezetők esetén lép fel. Az erős szennyezés következtében a kiürített 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 töltéshordozók szakadnak ki a kristályrácsból, nagyszámú szabad töltéshordozót hozva létre és közvetlen vezetés indul meg az n-réteg és a p-réteg között. Ez hirtelen megnöveli a záróirányú áramot és meredeken csökken a Zener dióda ellenállása, egy közel állandó feszültség mellett megnő az áram.
Termikus hatások félvezetőkben
Az elektron mozgása során - egyik rétegből a másikba - egyben energia is transzportálódik, méghozzá hő formájában. A szállított hő arányos a szállított elektronok mennyiségével.
Peltier-hatás: 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 egyenirányító hatása és a rétegek energia viszonyai miatt. Seebeck-hatás: Ha a két anyag két ponton úgy csatlakozik, hogy azok különböző hőmérsékleten vannak, akkor fellép a Seebeck-hatás (termoelem).
Peltier és Seebeck effektus
3. ábra
Kétrétegű félvezetők
Két félvezető réteg felhasználásával számos félvezetőt lehet készíteni. Gyakorlatilag a PN rétegben lezajló minden pozitív és negatív folyamat alapján készítenek eszközöket, mivel ami az egyik felhasználási terület szempontjából hátrányos, az a másikból előnyös lehet.
A továbbiakban a PN átmeneten alapuló elektronikai alkatrészeket tárgyaljuk (kivéve az optoelektronikai alkatrészeket, amelyeket egy másik lecke tartalmaz majd).
Dióda
A legalapvetőbb, leggyakrabban alkalmazott kétrétegű, egy PN átmenetet tartalmazó eszköz a dióda. Két kivezetése van, az anód és a katód. Az anód a p-rétegre van kapcsolva, a katód pedig az n-re.
Dióda áramköri jelölése és kivezetései
4. ábra
A dióda a PN átmenet jellemzőit ismerve tehát egyenirányításra alkalmas, vagyis az áramot csak az egyik irányba vezeti át, a másik irányba szakadásként viselkedik (egy visszacsapó szelep analógiájának tekinthető általánosságban).
A dióda viselkedése nyitóirányban:
I D = I 0 ( e U D F m U T −1 )
Io a maradékáram/visszáram (a kisebbségi töltéshordozók árama) UDF a dióda nyitóirányú feszültsége UT a termikus feszültség (értékét ált. 26 mV-ra vesszük szobahőmérsékleten) m korrekciós tényező (értéke 1...2 között változik), amely a szennyezés mértékétől függ. Normál diódáknál értékét 1-nek vesszük.
Dióda karakterisztika nyitóirányú és záróirányú előfeszítés esetén
5. ábra
Jellemző statikus paraméterek:
Nyitóirányú névleges áram IDFn Maximális veszteségi teljesítmény (PDmax), amely a nyitóirányú áram és a dióda feszültségének szorzata Visszáram (I0) Névleges letörési feszültség UBRn, amely a tényleges letörési feszültség (UBR) 2/3 része.
Gyakoribb dióda típusok
6. ábra
Alkalmazási területek:
Áramkörök védelme fordított polaritás ellen Egyenirányítás Referencia feszültség előállítása Nagyfrekvenciás kapcsolásoknál kapcsolóelemként Nemlineáris karakterisztikák megvalósítása
Zener dióda
Nyitóirányban a Zener egy kisteljesítményű diódaként viselkedik (így nem használják). Záróirányban a Zener elérve a Zener feszültséget (Uz) egy minimális Zener-áram után (Izmin) meredek karakterisztikával rendelkezik, azaz jelentős áramváltozásra is csak kis feszültségváltozással reagál. Tehát ezek a diódák tartósan a letörési tartományban dolgoznak.
A meredekség mértékét mutatja a Zener dinamikus ellenállása (rdz), amely hőmérsékletfüggő.
Zener dióda karakterisztikája és áramköri jelölése
7. ábra
A Zener diódák maximális áramát a Zener veszteségi teljesítménye (Pdzmax) szabja meg. A Zenereket - akárcsak a félvezető eszközök döntő többségét - a rétegekben keletkező hő teszi tönkre, így a Zenerek, amelyek üzemszerűen letörésben üzemelnek, különösen érzékenyek erre.
I d z m a x = P d z m a x U z
A Zener diódákat általában kisteljesítményű, nem szabályozott tápegységként vagy referenciafeszültség-forrásként alkalmazzák a kapcsolásokban.
Zener dióda alkalmazása referenciafeszültség forrásként
8. ábra
Schottky dióda
Fém-félvezető dióda (pl. Al-Si), amelynek jellemzője a Si diódáknál lényegesen kisebb nyitóirányú feszültség. A nagy sebességet a fém-félvezető átmenetnek köszönheti, mivel a fémben levő nagyszámú töltéshordozó miatt kiürített réteg csak a félvezetőben keletkezik, amelynek hatására lényegesen kisebb a kiürített réteg szélessége. Ezt a tulajdonságát felhasználva elsősorban a gyorskapcsoló diódák (ps nagyságrendű kapcsolási idők) és a digitális áramkörök fontos alkatrésze. nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű tápegység alkalmazásokban is nagyfrekvenciás egyenirányító diódaként.
Schottky dióda karakterisztikája és áramköri jelölése
9. ábra
Bipoláris tranzisztor
A bipoláris tranzisztor három félvezető réteget (két átmenetet) tartalmazó alkatrész, amelyet elektronikus áramkörökben használnak erősítési és kapcsolási célokra. Működésüket csak a működésük megértéséhez szükséges szinten tárgyaljuk, a teljesség igénye nélkül!
Az erősítő célú felhasználás során a plusz energiát általában egy egyenfeszültségű tápforrás biztosítja (egy csapként is felfogható működését tekintve, ahol a csap nyitásával tudjuk befolyásolni az átáramló víz mennyiségét). Kapcsoló célú felhasználás során pedig a külső tápforrást kapcsolja vagy szakítja meg az áramkör kialakításától függően a terhelésre vagy logikai kapukat valósítanak meg velük digitális áramkörökben.
A két félvezető alapanyagból két különböző struktúrájú tranzisztor állítható elő: NPN és PNP. A két eszköz működése nagyon hasonló azzal az alapvető különbséggel, hogy NPN tranzisztoroknál a többségi töltéshordozó az elektron, míg PNP tranzisztoroknál a lyuk. A két szélső réteget kollektornak (C), és emitternek (E) nevezik, a középső réteget bázisnak (B) hívják.
Bipoláris tranzisztorok áramköri jelölése és működésének analógiája
10. ábra
A bázis jóval vékonyabb, mint a másik két réteg. A tranzisztor működése a PN-átmeneti réteg hatásán alapul. Ha a bázison keresztül nem folyik áram, akkor a tranzisztor kollektora és az emittere között sem folyik áram. Amennyiben a bázison áram folyik át (BE átmenetre kapcsolt megfelelő nagyságú nyitóirányú feszültség következtében), akkor az áram mértékével arányosan folyik áram a kollektor és az emitter között. Tehát a bipoláris tranzisztort áramvezérelt eszköznek tekintjük.
Bipoláris tranzisztor (NPN) feszültség és áram viszonyai lineáris üzemben
11. ábra
A réteg-tranzisztorban az elektronok és a lyukak egyaránt részt vesznek az áramvezetésben, erre utal a bipoláris tranzisztor elnevezés. Az NPN és a PNP struktúrájú tranzisztorok működése lényegében nem tér el egymástól, csupán az egyenfeszültségek polaritása, illetve az egyenáramok iránya ellentétes.
A tranzisztor kivezetéseire jutó feszültségek és a kivezetéseken átfolyó áramok közötti összefüggéseket általában jelleggörbékben adják meg. Ezek közül legfontosabb a bemeneti és a kimeneti jelleggörbe sereg ismerete. Ezek alapján tárgyalhatók pl. a kisjelű erősítők, a kapcsolóüzem stb.
Bipoláris tranzisztor bemeneti és kimeneti karakterisztikái
12. ábra
Mivel a kimeneti oldal UCE feszültsége visszahat a bemenetre, ezért meg kell adni, hogy mekkora UCE kollektor-emitter feszültségre vonatkozik a jelleggörbe. Záróirányban a maradékáramot és a letörési feszültséget elegendő ismerni.
A kimeneti karakterisztika az állandó bázisáramhoz tartozó kollektor áram változást adja meg az UCE kollektor-emitter feszültség függvényében. Az IB = 0 bázisáramhoz tartozó jelleggörbe a zárási tartományt, az UCB = 0 jelleggörbe pedig a telítési tartományt határolja.
A bipoláris tranzisztor kapcsolóüzemben a telítési vagy a zárási tartományban üzemel, míg erősítő célú felhasználás esetén a lineáris (aktív) tartományban működik.
Térvezérelt tranzisztorok (FET)
A modern (mind analóg, mind digitális) integrált áramkörök döntő többsége MOS tranzisztorokból épül fel.
Térvezérelt tranzisztorok típusai
13. ábra
N és P csatornás MOSFET áramköri jelölése
14. ábra
Az N-csatornás MOSFET a leggyakoribb és az NPN tranzisztorra hasonlít. Az áram a felső rész felől (D - drain/nyelő) a lenti kivezetése (S - source/forrás) áramlik. Mindezt a harmadik kivezetés (G - gate/kapu) kontrollálja. Ezt az elektródát szigetelő réteg (általában szilícium-dioxid) választja el a csatornától. A legnagyobb különbség a bipoláris tranzisztor és a MOSFET közt, hogy míg az előbbit árammal vezérelhetjük, ez utóbbit feszültséggel. A MOSFET-ben a gate és a csatorna közt nem is folyik áram. A csatornában folyó áramot a kapuelektróda, a gate vezérli a rajta felhalmozódott töltés által.
Kétféle FET létezik. A "növekményes" vagy "önzáró" típus csatornáján csak akkor folyik áram, ha a gate elektróda feszültséget kap. A "kiürítéses" vagy "önvezető" típus esetén a gate-re kapcsolt feszültség a csatorna áramát csökkenti.
Növekményes és kiürítéses N csatornás MOSFET felépítése
15. ábra
A szigetelő oxidréteg átütési szilárdsága alacsony, mivel igen vékony a kiképzése, ezért a diszkrét MOS tranzisztort védeni kell az elektrosztatikus feszültségektől, amelyek tönkre tudják tenni az alkatrészt.
A FET-ek a bipoláris tranzisztorhoz hasonlóan alkalmasak ugyanúgy erősítési célú és kapcsolóüzemű felhasználásra. Azokkal összehasonlítva előnyük a nagyobb kapcsolási sebesség, a kisebb szükséges vezérlési teljesítmény és az alacsonyabb veszteségek.

| Önellenőrző kérdések
1. Mi jellemző a félvezető anyagokra?
| Alapesetben nagyszámú szabad töltéshordozóval rendelkeznek.
| Alapesetben nem rendelkeznek szabad töltéshordozókkal.
| A szabad töltéshordozók száma alapesetben a szigetelők és vezetők között helyezkedik el.
| Az anyag egyik fele vezetőképes, míg a másik fele nem képes vezetésre.
2. Mit nevezünk donor típusú szennyezésnek?
| A félvezető alapanyaghoz 5 vegyértékű anyagot adalékolunk, ezáltal nagyszámú szabad töltéshordozó (elektron) lesz jelen az anyagban.
| A félvezető alapanyaghoz 3 vegyértékű anyagot adalékolunk, ezáltal nagyszámú szabad töltéshordozó (lyuk) lesz jelen az anyagban.
| A félvezető alapanyaghoz 4 vegyértékű anyagot adalékolunk, ezáltal nagyszámú szabad töltéshordozó (elektron) lesz jelen az anyagban.
| A félvezető alapanyaghoz tetszőleges anyagot adalékolunk, hogy megnöveljük a szabad töltéshordozók számát az anyagban.
3. Mit nevezünk a PN átmenet nyitóirányú előfeszítésének?
| Nyitóirányú előfeszítés esetén a p rétegre pozitívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre.
| Nyitóirányú előfeszítés esetén a p rétegre negatívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre.
| Nyitóirányú előfeszítés esetén a p rétegre ugyanakkora feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre
| Azt az esetet, amikor a PN átmeneten nem folyhat áram.
4. Mi az a dióda?
| A dióda egy 2 kivezetéssel rendelkező áramköri alkatrész, amely 2 p rétegből épül fel.
| A dióda egy 3 kivezetéssel rendelkező áramköri alkatrész, amelyet jellemzően kapcsolóként használnak.
| A dióda egy 3 kivezetéssel rendelkező áramköri alkatrész, amelyet jellemzően erősítőként használnak.
| A dióda egy 2 kivezetéssel rendelkező áramköri alkatrész, amelyet jellemzően egyenirányítóként használnak, azaz az egyik irányban vezeti az áramot, a másik irányban pedig nem.
5. A Zener diódát üzemszerűen hogyan használjuk?
| A Zener dióda a fém-félvezető átmenetnek köszönhetően gyors kapcsolásokra képes, tehát nagyfrekvenciás alkalmazásokban használjuk.
| A Zener diódát üzemszerűen záróirányban használjuk, aminek köszönhetően a kiürített réteg szélessége megnő, és alkalmas lesz a beeső fotonok érzékelésére.
| A Zener diódát kizárólag nyitóirányban szabad használni.
| A Zener diódát üzemszerűen záróirányban használjuk a letörési tartományban.
6. Mi az a bipoláris tranzisztor?
| Egy 2 kivezetéssel rendelkező áramköri elem, amely fegyverzetein feszültség hatására pozitív és negatív töltések jelennek meg.
| Egy 2 kivezetéssel rendelkező félvezető alapú áramköri elem, amelyet egyenirányítási célokra szoktak használni.
| Egy 2 kivezetéssel rendelkező félvezető alapú áramköri elem, amelyet kizárólag erősítőként szoktak használni.
| Egy 3 kivezetéssel rendelkező félvezető alapú áramköri elem, amelyet jellemzően erősítőként és kapcsoló elemként szokták használni.
7. Mi a különbség a bipoláris és a térvezérlésű tranzisztorok között?:
| A bipoláris tranzisztorok 3 kivezetéssel rendelkeznek, míg a térvezérlésű tranzisztorok csak 2 kivezetéssel.
| A bipoláris tranzisztorok 2 kivezetéssel rendelkeznek, míg a térvezérlésű tranzisztorok 3 kivezetéssel.
| A bipoláris tranzisztorok feszültségvezérelt, míg a térvezérlésű tranzisztorok áramvezérelt áramköri alkatrészek.
| A bipoláris tranzisztorok áramvezérelt, míg a térvezérlésű tranzisztorok feszültségvezérelt áramköri alkatrészek.
8. Melyek a bipoláris tranzisztorok felhasználási területei?
| Jellemzően erősítőként és kapcsoló elemként szokták használni.
| Jellemzően egyenirányítási feladatokra szokták őket alkalmazni.
| Kizárólag kapcsolóüzemben használják őket.
| A tranzisztorokat erősítési célokra használják. Az erősített jelet a tranzisztor külső energiaforrás nélkül képes előállítani a kimenetén.