📚 Elmélet: Félvezetők

Utoljára frissítve: 2023. 09. 29. 19:19:08

Ebben a fejezetben megismerkedünk a legalapvetőbb félvezetőkkel, és alapvető működésükkel.

Mi a félvezető, hogyan készül?

Vezető vs szigetelő vs félvezető

Félvezetőnek nevezzük azt a pár ritka anyagot, ami félig-eddig a vezetők és szigetelők között helyezkednek el. Ahogy már említettük, minden anyag tud szigetelő és vezető is lenni, attól függően, hogy mekkora feszültséget vezetünk át rajtuk - erre a legjobb példa  levegő. A levegő nem vezeti az áramot (ezért van szükségünk vezetékekre), tehát szigetelő. De kellően nagy feszültség esetén már vezetővé tud válni. Villámlás esetén pont ez történik, amikor több tízezer volt feszültség is ki tud alakulni.

Az anyagok azon tulajdonsága tehát, hogy vezető vagy szigetelő-e, külső tényezőkkel befolyásolható. Mivel a félvezetők kémiailag annyira a határon mozognak, hogy normális körülmények között vezetők vagy szigetelők-e, ezért ezt kihasználva létre tudunk hozni olyan eszközöket, amikhez nem kell több ezer volt, hogy befolyásolni tudjuk őket.

Kulcsszó: Átmenet

Már a félvezetők előtt rájöttek a tudósok és mérnökök arra, hogy ha két különböző jól megválasztott anyagot összeérintünk azoknak egyenirányító hatása van, tehát ha egyik végére +, másik végére - pólust kötünk úgy viselkedik mint egy darab vezeték, fordítva viszont blokkolja az áram folyását.. Az egyik ilyen anyag a szelén, amiből az első egyenirányítókat csinálták. A szelén egy félevező anyag, felületén szürke oxid tud kialakulni. Hasonlóan, az acélon, alumíniumon, rézen is oxidréteg alakul ki ahogy levegővel érintkezik. Akkor még talán nem tudták, de ezek az oxidrétegek kulcsszerepet játszottak az egyenirányító működésében.

A félvezetők befolyásolásának első lépése, hogy egy másik speciális anyagot, ún. "szennyeződést" viszünk bele. Ezzel a félvezető anyag hajlamosabb lehet elektronokat bevonzani vagy kibocsátani magából. Ez a szennyezés csupán pár atom. De egy félvezető anyagnak már ennyi is elég, hogy befolyásolni tudjuk a működését. Ha egy szennyezett terület inkább szeret kitaszítani elektronokat, n-típusú szennyezésnek, ha bevonzani, p-tipusú szennyezésnek hívjuk. Amennyiben két különböző szennyeződésű területet egymás mellé rakunk, akkor egy átmenetet kapunk. Ez az átmenet képezi minden félvezető eszköz alapját.

A PN átmenet

Tegyük fel, hogy van egy P típusú területünk és egy N típusú. Ha egymás mellé rakjuk őket, azt PN átmenetnek nevezzük. Amennyiben erre egy elemet kötünk a következő történik: ha az n-típusú területre elektronok érkeznek, az n-típusú terület ezeket megpróbálja kitaszítani magából. Szerencsére a mellette lévő p-típusú terület ezeket pedig megpróbáljuk bevonzani. Mivel az elektronok áramolni tudnak, az áramkör zárt, és elektromos áram fog folyni az elem feszültségének hatására.

Fordított esetben, ha a p-típusú területre érkeznek elektronok, a terület eleve megpróbálja bevonzani őket, amiket pedig már nem tud bevonzani, nem tudnak továbbmenni, mert az n-típusú terület taszítani próbálja őket. Tehát nem fog áram folyni.

A fent leírt PN-átmenetet ebben a formájában diódának hívjuk.

Az egyszerű félvezető eszközök

A dióda

A dióda a legegyszerűbb és legrégebb óta használt félvezető alkatrész. Két csatlakozója van, az anód és a katód. Különlegessége, hogy csak egy irányba, anódból katódba vezeti az áramot, a másik irányba végtelen ellenállásként működik egészen addig, amíg túl nem terheljük és elromlik. Ilyenkor vezetővé válik, és gyakorlatilag csak egy darab vezeték.

Jele is ezt tükrözi, ami egy nyíl.

Itt az anód a nyíl elején, a katód a végén van. Ha anód-katód, tehát a nyíl szerint jelzett irányban (nyitóirányban) használjuk, akkor gyakorlatilag 0 ohm ellenállása van az eszköznek, ellenkezőleg (záróirányban) pedig nem végtelen, de nagyon magas (több gigaohm).

A diódákat először a rádiózásban használták, ma viszont a legelterjedtebb használatuk tápegységekben van, egyenirányítóként, tehát ahol válóáramot kell egyenárammá alakítani. Egyenirányítani egy, két vagy négy diódával lehet. A négydiódás egyenirányítót a feltalálójáról Grätz-hídnak is szokták nevezni. Értelemszerűen minél több diódás az egyenirányító annál jobb a minősége, ahogy az alábbi bemutatón is látszik. Figyeld meg, hogy az 1- és 2-diódás egyenirányító csak a váltóáram feléből képes egyenáramot csinálni, a négydiódás viszont majdnem a teljes részéből!

Minden diódának van egy nyitóirányú feszültsége, és egy záróirányú feszültsége. A nyitóirányú feszültség szilícium diódák esetén 0,6 volt, tehát minimum ekkora feszültségnek kell lennie az anódon ahhoz, hogy a dióda kinyisson és áram tudjon folyni rajta. A záróirányú legtöbbször minimum 100 volt, de gyakran bőven 1000 felett is lehet, tehát egészen eddig záróirányba nem fog vezetni a dióda.

Diódák fajtái

Az alap diódához képest nagyon sok speciális felhasználású dióda létezik. Ezeknek a legfontosabb fajtái és rövid leírásai:

1. Shottky-dióda: olyan, általában nagyáramú dióda, aminek a nyitófezsültsége jóval alacsonyabb, mint 0,6 volt. Tápegységekben használják őket gyakran.
2. Zener-dióda: olyan dióda, aminek a zárófeszültsége egy jól meghatározott, stabil érték, pl. 5,6 volt. Ezt főleg precíz feszültségek előállítására használják.
3. LED: light-emitting diode, azaz fénykibocsátó led. Olyan dióda, ami ha nyitóirányban vezet, világít.
4. Varicap-dióda: olyan dióda, aminek jól meghatározható és aránylag magas a kondenzátor-hatása. Erről nemsokára lesz szó.

Fejlettebb tulajdonságok

A már korábban említett félvezető átmeneteknek van egy fontos tulajdonsága, hogy kondenzátorként tudnak működni. Egy-egy dióda akár 1-2 pikofarados kapacitással is rendelkezhet. Nagyon érzékeny kapcsolások esetén ezzel számolni kell. Az előbb említett varicap-diódák pont ezt a hatás használják ki, így egy kvázi feszültségvezérelt állítható kondenzátorrá lehet őket alakítani. Olyan helyeken használhatóak ezek jól ahol különböző oszcillátorokat kell hangolni így, pl. rádiókban, adóvevőkben.

A bipoláris tranzisztor

A tranzisztor volt talán a 20. század nagy találmányai közül a legfontosabb. Később a térvezérlésű tranzisztorok, vagyis FET-ek feltalálása és gyártása újabb löketet adott a technológiának.

A tranzisztor úgy működik mint egy csap. Ha eltekerjük a gombját, víz fog folyni a csapon. A különlegessége a tranzisztornak, hogy a "gombot", vagyis a vezérlő bemenetét szintén elektromos árammal tudjuk működtetni. Tehát a tranzisztor egy elektromosan vezérelt kapcsoló. A csapoknak van azonban egy másik tulajdonsága is. Félig is ki lehet nyitni és ilyenkor nem fog annyi víz folyni belőle. Ha ezt átfordítjuk elektromosságra, akkor viszont ennél egy még fontosabb tény is megállapítható: ha csak kicsit változik egy tranzisztor vezérlésén az áram a kimenetén arányosan, de sokkal nagyobb mértékben fog változni. A tranzisztorok nem csak kapcsolók, hanem erősítők is.

A "sima", vagyis bipoláris tranzisztornak három csatlakozója van: bázis (B), emitter (E) és kollektor (agolul collector, C). Emellett a bipoláris tranzisztorokat még két csoportra lehet osztani, npn, és pnp. Ahogy a diódáknál, itt is a rétegek polaritását jelölik a betűk. A leggyakrabba használt típus az npn.

Ha egy npn tranzisztor bázisán nagyobb a feszültség mint az emitteren és áram folyik rajta, akkor a kollektor és az emitteren keresztül is áram fog folyni. Ha a bázison (a csap "gombján") egy kicsit megváltozik az áram nagysága, akkor a kollektoron jóval inkább meg fog változni. Az, hogy mennyire fog megváltozni, a tranzisztor erősítési tényezőjén múlik, amit béta néven szokás jelölni. Ennek az értéknek nincs egysége, mert csak egy arányszám. Tehát ha b=100, akkor a bázis áramváltozása 100-szoros változást fog eredményezni a kollektoron.

A pnp tranzisztorok ugyanúgy működnek, mint az npn tranzisztorok, de "fordított polaritással": itt a bázison kisebb feszültségnek kell lennie, mint az emitteren.

A FET

A bipoláris tranzisztorok hatalmas fejlődést hoztak magukkal de volt egy kicsi, javítható problémájuk: a vézérlésük elektromos árammal működik, amiből egyesen következik, hogy áramot fogyasztanak. Mi lenne, ha pusztán feszültséggel, átfolyó áram nélkül tudnánk tranzisztort vezérelni?

A FET-ek majdnem ezt tudják. Magyarul térvezértlésű trnazisztornak hívott eszközöket elektromos térrel vezéreljük. Ha emlékszel még, pár bejegyzéssel korábban a kondenzátorok is ilyen erőtér alapján működnek. Itt sem más sokkal a helyzet. A vezérlő lábat (amit a feteknél, gate-nek, kapunak hívnak) elég csak feszültségre kötni, és áramfolyás nélkül fogja a másik kettő lábat (itt source, forrás és drain, lefolyó, mondjuk mi hogy a tranzisztor egy csap :D) nyitni fogja. Feteknél szintén kétféle pólus van általában, n- és p- csatornás, emellett a feteket nagyon sok alkategóriába lehet sorolni (JFET, MOSFET, telítéses, kiürüléses stb.)