ISMERTESSE A NÉGYRÉTEGŰ DIÓDA, A KÉTBÁZISÚ DIÓDA, A DIAC FELÉPÍTÉSÉT, MŰKÖDÉSI ELVÉT ÉS HASZNÁLATI JELLEMZŐIT! MAGYARÁZZA EL A TIRISZTOR ÉS A TRIAC MŰ

Felépítés, működési elv:
1. Négyrétegű dióda: szilícium alapú eszköz, amely négy egymás után kapcsolódó PNPN félvezető rétegből áll, három váltakozó irányú PN-átmenetet alkotva.
A három PN-átmenet mindegyike egy-egy diódát alkot, amelyeket D1, D2 és D3 jelöl. A négyrétegű dióda anódja (A) erősen szennyezett P réteg, katódja (K) erősen szennyezett N réteg. A köztes rétegek szennyezettsége legalább két nagyságrenddel kisebb, ami záróirányban kis visszáramot és nyitóirányban nagy billenési feszültséget (UB) eredményez.
2. Tirisztortetróda: olyan négyrétegű tirisztor szerkezet, amelynek anódoldali és katódoldali kapuelektródáját is kivezették. Működésének jellegzetessége, hogy gyújtása illetve oltása mindkét vezérlőelektródáján keresztül kiváltható.
3. DIAC: kétirányú, félvezető kapcsolóeszköz. Két stabil üzemi állapota van, egy nagy ellenállású állapot, amelyet zárási vagy blokkolási állapotnak is neveznek és egy kis ellenállású állapot, amelyet vezetési állapotnak is neveznek. A vezetési állapotba való átmenet a rákapcsolt feszültség polaritásától függetlenül egy meghatározott UB0 feszültségnél, az áttörési feszültségnél következik be.
A DIAC alkalmazásai: a triac vezérlésére dolgozták ki. Leginkább érintkező nélküli kapcsolóelemként alkalmazzák.
4. Tirisztor: megegyezik a négyrétegű dióda felépítésével azzal a különbséggel, hogy egy további kivezetéssel, vezérlőelektródával rendelkezik. Két stabil üzemi állapotuk van: egy nagy- és egy kis ellenállású állapot, amelyek között az átkapcsolás a vezérlőelektródán keresztül valósítható meg. Az elektródák elnevezése: anód (A); katód (K); vezérlőelektróda, vagy kapu (G). A vezérlőelektróda csatlakozási pontjától függően megkülönböztetünk, P vezérelt vagy katódvezérlésű tirisztorokat, és N vezérelt vagy anódvezérlésű tirisztorokat.

Miután a tirisztor bekapcsol, megmarad ebben az állapotban függetlenül a kapuelektróda potenciáljától. Ez a tény különbözteti meg alapvetően egy tirisztor kapuelektródájának szerepét és egy tranzisztor bázisának szerepétől. A tirisztor nagy ellenállású állapotban van mindaddig, amíg az anód-katód feszültsége túl nem lépi az UB0 billenési feszültséget és anódárama el nem éri az IL reteszelési áramértéket. A vezetés megszűntetésére két lehetőség van: az anódáram csökkentése az IH tartóáram értékére; az anódfeszültség negatív polaritásának biztosítása.
Alkalmazása: váltakozó áramú körben gyújtásvezérlésre használják.
5. TRIAC: szerkezeti felépítése két antiparalell kapcsolású tirisztor egy kristályban való elhelyezésével. A Ti2 tirisztor csak akkor válik vezérelhetővé, ha a kapuelektróda kivezetése alá egy kis méretű N-típusú réteget visznek be.

Tirisztor antiparalell kapcsolása Egyesítés egyetlen kristályba Közös elektróda létrehozása
A tirisztorhoz hasonlóan, a triac karakterisztikáján is megkülönböztetünk az anódfeszültség minkét irányában: vezetési tartományt; átmeneti tartományt; blokkolási tartományt. A nyitott állapotba vezérlés négy különböző módon történhet. Ezeket gyújtási módusoknak nevezzük: az I. módusban a triac a karakterisztika I. térnegyedében működik. A II. módusban a vezérlőelektródára negatív feszültséget kapcsolnak. A III. módusban a triac a karakterisztika III. térnegyedében működik A IV. módusban a vezérlőelektródára pozitív feszültséget kapcsolnak.
Alkalmazása: kis teljesítményű izzólámpa, elektromos fűtés vagy az egyfázisú váltakozó áramú motorok szabályozása. Konkrét alkalmazás: teljes hullámú szabályzó.

CSOPORTOSÍTSA A TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROKAT FELÉPÍTÉSÜK SZERINT, MAGYARÁZZA EL MŰKÖDÉSÜKET! KARAKTERISZTIKÁJUK ÉS HELYETTESÍTŐ KÉPÜK ALAPJÁN ÉRTELMEZ

Felépítés, működési elv:
1. Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET): a JFET csatornáját a félvezető térfogatában két záróirányban polarizált PN-átmenet határolja. Ezt a fajta tranzisztort N és P csatornás változatban készítik. A csatorna két végére fémezéssel kapcsolt elektródák a D drain és az S source. A vezérlőelektróda a G gate. A JFET tranzisztor szerkezetét egy nagyon vékony gyengén szennyezett réteg alkotja, amely két erősen szennyezett, a csatornával ellentétes szennyezettségű félvezető réteg között helyezkedik el.
Ha a csatorna két elektródájára feszültséget kapcsolunk (UDS) és a gate elektróda feszültsége (UGS) nulla, a két PN-átmenet záró irányú polarizálást kap. Az N-típusú csatornában a D drain elektródától az S source elektróda felé áramló elektronok árama UGS=0 feszültségnél a legnagyobb, mivel ebben az esetben a csatorna szélessége maximális. Ezen tulajdonsága miatt, a záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat önvezetőknek is nevezzük.
Minél nagyobb a zárófeszültség annál kisebb a vezetőréteg keresztmetszete, tehát az ellenállása is. A csatorna-ellenállás növekedése a csatornán folyó ID áram csökkenését eredményezi. A záróréteg szélessége az UGS feszültség segítségével vezérelhető. A szükséges vezérlőteljesítmény minimális értékű, mivel a kisebbségi töltéshordozók mozgásának eredményeképpen egy elhanyagolható nagyságú záróirányú áram folyik. Az UGS feszültségnek a vezérelhetőség biztosítása miatt N csatornás JFET esetén negatívnak, míg P csatornás eszköz esetén pozitívnak kell lennie. Az UDS feszültség N csatornás JFET esetén pozitív, P csatornás esetén negatív.
2. Növekményes (önzáró) típusú MOSFET: a tranzisztor aktív része egy P-típusú, gyengén szennyezett Si alapkristályból áll, amelyet szubsztrátnak neveznek. Az alapkristályban kér erősen szennyezett N-típusú vezető szigetet alakítanak ki, amelyek csatlakozással ellátva a tranzisztor S source- és D drain-elektródáját alkotják. A kristály külső felületén termikus oxidációval nagyon jó szigetelő tulajdonsággal rendelkező szilícium-dioxid fedőréteget növesztenek, amelyen az S és D csatlakozások számára ablakot hagynak. A szigetelő rétegre vékony fémréteget visznek fel, ez lesz a gate vezérlőelektróda, amely ily módon elszigetelődik a kristálytól.
Ha a gate elektróda szabadon van, bármilyen polaritású feszültséget kapcsolunk a drain és a source közé, a tranzisztor zárva marad, azaz nem fog áram folyni a két kivezetés között. A gate-elektródára pozitív feszültséget kapcsolva a source-hoz képest a szubsztrátban elektromos tér keletkezik. A külső elektromos tért hatására a szubsztrátban található elektronok közvetlenül a SiO2 szigetelőréteghez vándorolnak, és az S és D elektróda között egy N-típusú vezetőcsatornát alkotnak. Az ID drain áram megindul. A csatorna vezetőképessége az UGS feszültséggel szabályozható.
A MOSFET tranzisztornak az a jellegzetessége, hogy UGS=0 feszültségnél le van zárva, ezért nevezik önzáró tranzisztornak. A növekményes elnevezés arra utal, hogy a csatorna elektrondúsulás révén keletkezik.
3. Kiürítéses (önvezető) típusú MOSFET: ha az SiO2 szigetelőréteg alatti szubsztrátban gyenge N-típusú szennyezést valósítanak meg, akkor vezetőképes összekötés lép fel az S és D között anélkül, hogy a gate-elektródára feszültséget kapcsolnánk. Az ilyen felépítésű tranzisztort önvezető MOSFET-nek nevezik.
Az önvezető MOSFET esetén ID≠0, ha UGS=0. Vezérlése mind pozitív, mind negatív gate-feszültséggel lehetséges. Két üzemmódban működhet:
- Dúsításos üzemmód (UGS>0): a pozitív gate-feszültség a csatorna elektronokkal való feldúsulásához és nagyobb vezetőképességhez vezet.
- Kiürítéses üzemmód (UGS<0): uds="Uk">Uk): a tranzisztor drain árama csak az UGS feszültség függvénye.
Jellemző adatok:
- Egy P munkapontra vonatkoztatva a JFET meredekségét (S), az átviteli jelleggörbe meredekségével definiáljuk:
- Az ID áram, UDS-től való függését a differenciális kimeneti ellenállás (rDS) határozza meg:
- A bemeneti ellenállás (rGS) nagyon nagy és közelítőleg állandó értéket képvisel
2. Növekményes MOSFET: az ID áram csak akkor jelenik meg, ha az UGS feszültség túllép egy határértéket, amely ahhoz szükséges, hogy az elektrondúsulás nagysága a csatornában megfelelő értéket érjen el és kialakuljon a vezető híd. Az UDS feszültéség növelésével az ID áram egy telítési értéket ér el. Ez a jelenség a gate és a drain közelében lévő csatorna potenciálkülönbségének csökkenésével magyarázható, amely a csatorna elektronokban való szegényedéséhez vezet.
Jellemző adatok:
- Az átviteli jelleggörbe S meredeksége egy P munkapontban a MOSFET vezérlési tulajdonságát jellemzi:
- A kimeneti jelleggörbe meredeksége egy P munkapontban az eben a pontban érvényes, rDS differenciális kimeneti ellenállást adja meg:
3. Kiürítéses MOSFET: UGS=0V feszültségen egy bizonyos értékű ID áram folyik. Ha UGS>0, akkor a csatorna vezetőképessége és az ID nő. A kimeneti jelleggörbék magasabban helyezkednek el. Ha UGS<0,>

CSOPORTOSÍTSA A TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROKAT FELÉPÍTÉSÜK SZERINT, MAGYARÁZZA EL MŰKÖDÉSÜKET! KARAKTERISZTIKÁJUK ÉS HELYETTESÍTŐ KÉPÜK ALAPJÁN ÉRTELMEZ

Felépítés, működési elv:
1. Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET): a JFET csatornáját a félvezető térfogatában két záróirányban polarizált PN-átmenet határolja. Ezt a fajta tranzisztort N és P csatornás változatban készítik. A csatorna két végére fémezéssel kapcsolt elektródák a D drain és az S source. A vezérlőelektróda a G gate. A JFET tranzisztor szerkezetét egy nagyon vékony gyengén szennyezett réteg alkotja, amely két erősen szennyezett, a csatornával ellentétes szennyezettségű félvezető réteg között helyezkedik el.
Ha a csatorna két elektródájára feszültséget kapcsolunk (UDS) és a gate elektróda feszültsége (UGS) nulla, a két PN-átmenet záró irányú polarizálást kap. Az N-típusú csatornában a D drain elektródától az S source elektróda felé áramló elektronok árama UGS=0 feszültségnél a legnagyobb, mivel ebben az esetben a csatorna szélessége maximális. Ezen tulajdonsága miatt, a záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat önvezetőknek is nevezzük.
Minél nagyobb a zárófeszültség annál kisebb a vezetőréteg keresztmetszete, tehát az ellenállása is. A csatorna-ellenállás növekedése a csatornán folyó ID áram csökkenését eredményezi. A záróréteg szélessége az UGS feszültség segítségével vezérelhető. A szükséges vezérlőteljesítmény minimális értékű, mivel a kisebbségi töltéshordozók mozgásának eredményeképpen egy elhanyagolható nagyságú záróirányú áram folyik. Az UGS feszültségnek a vezérelhetőség biztosítása miatt N csatornás JFET esetén negatívnak, míg P csatornás eszköz esetén pozitívnak kell lennie. Az UDS feszültség N csatornás JFET esetén pozitív, P csatornás esetén negatív.
2. Növekményes (önzáró) típusú MOSFET: a tranzisztor aktív része egy P-típusú, gyengén szennyezett Si alapkristályból áll, amelyet szubsztrátnak neveznek. Az alapkristályban kér erősen szennyezett N-típusú vezető szigetet alakítanak ki, amelyek csatlakozással ellátva a tranzisztor S source- és D drain-elektródáját alkotják. A kristály külső felületén termikus oxidációval nagyon jó szigetelő tulajdonsággal rendelkező szilícium-dioxid fedőréteget növesztenek, amelyen az S és D csatlakozások számára ablakot hagynak. A szigetelő rétegre vékony fémréteget visznek fel, ez lesz a gate vezérlőelektróda, amely ily módon elszigetelődik a kristálytól.
Ha a gate elektróda szabadon van, bármilyen polaritású feszültséget kapcsolunk a drain és a source közé, a tranzisztor zárva marad, azaz nem fog áram folyni a két kivezetés között. A gate-elektródára pozitív feszültséget kapcsolva a source-hoz képest a szubsztrátban elektromos tér keletkezik. A külső elektromos tért hatására a szubsztrátban található elektronok közvetlenül a SiO2 szigetelőréteghez vándorolnak, és az S és D elektróda között egy N-típusú vezetőcsatornát alkotnak. Az ID drain áram megindul. A csatorna vezetőképessége az UGS feszültséggel szabályozható.
A MOSFET tranzisztornak az a jellegzetessége, hogy UGS=0 feszültségnél le van zárva, ezért nevezik önzáró tranzisztornak. A növekményes elnevezés arra utal, hogy a csatorna elektrondúsulás révén keletkezik.
3. Kiürítéses (önvezető) típusú MOSFET: ha az SiO2 szigetelőréteg alatti szubsztrátban gyenge N-típusú szennyezést valósítanak meg, akkor vezetőképes összekötés lép fel az S és D között anélkül, hogy a gate-elektródára feszültséget kapcsolnánk. Az ilyen felépítésű tranzisztort önvezető MOSFET-nek nevezik.
Az önvezető MOSFET esetén ID≠0, ha UGS=0. Vezérlése mind pozitív, mind negatív gate-feszültséggel lehetséges. Két üzemmódban működhet:
- Dúsításos üzemmód (UGS>0): a pozitív gate-feszültség a csatorna elektronokkal való feldúsulásához és nagyobb vezetőképességhez vezet.
- Kiürítéses üzemmód (UGS<0): uds="Uk">Uk): a tranzisztor drain árama csak az UGS feszültség függvénye.
Jellemző adatok:
- Egy P munkapontra vonatkoztatva a JFET meredekségét (S), az átviteli jelleggörbe meredekségével definiáljuk:
- Az ID áram, UDS-től való függését a differenciális kimeneti ellenállás (rDS) határozza meg:
- A bemeneti ellenállás (rGS) nagyon nagy és közelítőleg állandó értéket képvisel
2. Növekményes MOSFET: az ID áram csak akkor jelenik meg, ha az UGS feszültség túllép egy határértéket, amely ahhoz szükséges, hogy az elektrondúsulás nagysága a csatornában megfelelő értéket érjen el és kialakuljon a vezető híd. Az UDS feszültéség növelésével az ID áram egy telítési értéket ér el. Ez a jelenség a gate és a drain közelében lévő csatorna potenciálkülönbségének csökkenésével magyarázható, amely a csatorna elektronokban való szegényedéséhez vezet.
Jellemző adatok:
- Az átviteli jelleggörbe S meredeksége egy P munkapontban a MOSFET vezérlési tulajdonságát jellemzi:
- A kimeneti jelleggörbe meredeksége egy P munkapontban az eben a pontban érvényes, rDS differenciális kimeneti ellenállást adja meg:
3. Kiürítéses MOSFET: UGS=0V feszültségen egy bizonyos értékű ID áram folyik. Ha UGS>0, akkor a csatorna vezetőképessége és az ID nő. A kimeneti jelleggörbék magasabban helyezkednek el. Ha UGS<0,>

ISMERTESSE A BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK FELÉPÍTÉSÉT ÉS MŰKÖDÉSI ELVÉT! RAJZOLJA FEL KARAKTERISZTIKÁIT, MAGYARÁZZA EL A KARAKTERISZTIKA MÉRÉSSEL TÖRTÉNŐ F

Felépítés, működési elv:
A bipoláris tranzisztor háromelektródás eszköz amely három, egy kristályban kialakított N-P-N vagy P-N-P elrendezésű, szennyezett félvezető tartományból áll. Ennek megfelelően megkülönböztetünk NPN, illetve PNP tranzisztorokat. Az egyes tartományok: emitter (E) – töltéshordozókat kibocsátó elektróda; bázis (B) – vezérlő elektróda; kollektor (C) – töltéshordozókat gyűjtő elektróda.
Az emitter és kollektor megközelítőleg azonos szennyezettségű és mindkét típusú tranzisztornál erősebben szennyezett, mint a bázistartomány. A bázis alacsony szennyezettsége miatt a szabad töltéshordozók száma kicsi, ezért a bázisrétegnek kicsi a vezetőképessége. Normális működés esetén az emitter és a bázis közötti PN-átmenet vezetési irányban, a bázis és a kollektor közötti PN-átmenet pedig záró irányban kell üzemelnie. Kis jelű Si-tranzisztorok esetén az UBE=0,6÷0,8V, az UCE=5÷18V.

Az NPN és PNP tranzisztor elvi működése megegyezik. A PNP tranzisztor többségi töltéshordozói a lyukak, kisebbségi töltéshordozói az elektronok. Az NPN tranzisztorok esetén az elektronok a többségi töltéshordozók, a lyukak pedig kisebbségi töltéshordozóként viselkednek.
A bázis-emitter átmenet nyitó irányú előfeszítése lehetővé teszi az emitter tartományban található lyukak rendezett mozgását (IE). A bázistartomány kiürített rétegnek tekinthető a kollektor-bázis átmenet záróirányú előfeszítése, a bázisréteg kicsi szennyezettsége és vékonysága miatt. Ennek következtében a bázistartományba jutott lyukak elenyésző része rekombinálódik az itt található elektronokkal és létrehozza a kis értékű bázisáramot (IB). Mivel a lyukak a bázistartományban kisebbségi töltéshordozónak számítanak, diffúzióval a kollektor tartományba áramlanak és létrehozzák a kollektor elektródán keresztül az IC áramot. A tranzisztor többségi töltéshordozói áramelágazást hoznak létre, melynek összetevői az emitteráram, a bázisáram és a kollektoráram. Az emitteráram a kollektor- és a bázisáram összegeként adódik: IE= IB+ IC. A tranzisztorban létrejövő áramelágazást, egy árameloszlási tényezővel fejezik ki: egyenáram és váltakozó áram esetén. A a tranzisztor nagyjelű, vagy egyenáramú áramerősítési tényezője, α pedig a kisjelű vagy váltakozó áramú áramerősítési tényezője. Számértékük közelítően megegyezik.
A tranzisztorokon három feszültség lép fel: az UCE, az UBE és az UCB feszültség. Kirchhoff második törvényének megfelelően: UCE=UCB+UBE. A tranzisztort az UBE feszültség révén az IB bázisáram vezérli. Segítségével változtatható az emitterben áramló lyukak, illetve elektronok mennyisége, ami az emitter és a kollektoráram értékét meghatározza.
Ha UBE=0 akkor, IB=0 és IC=0. Ekkor a kollektor és az emitter szakasz ellenállása nagy. Ha a bázis-emitter feszültség túllépi a bázis-emitter határréteg zárófeszültségét, megindul a bázisáram. Az UBE feszültség és az IB növelésével az IC kollektoráram nő és a kollektor-emitter szakasz ellenállása fokozatosan csökken. Az UBE és IB adott értékén a tranzisztor teljesen kivezérelté válik és a kollektor-emitter szakasz ellenállása eléri a legkisebb értékét.
Tranzisztor karakterisztikái:
A négypólusként ábrázolt tranzisztor egyértelműen jellemezhető a ki- és bemenetén fellépő feszültségekkel és áramokkal. A négy jellemzőt összekapcsoló függvények grafikus ábrázolása révén kapjuk a tranzisztor karakterisztikáit.
Tranzisztor jelleggörbéi báziskapcsolásban:

Báziskapcsolásban fellépő feszültségek és áramok, NPN tranzisztor esetén
- Bemeneti jelleggörbék: a bemeneti karakterisztika az IE és az UBE közötti kapcsolatot ábrázolja, ha UCB biztosított. A jelleggörbe exponenciális változást mutat.
- Kimeneti jelleggörbék: az IC és az UCB közötti kapcsolatot ábrázolja, különböző emitteráramoknál. A jelleggörbe megközelítően vízszintes egy adott IE értékre, tehát a kollektoráram nagyon kis mértékben függ a kollektor-bázis feszültség nagyságától.

Tranzisztor jelleggörbéi emitter kapcsolásban:

Emitter kapcsolásban fellépő feszültségek és áramok, NPN tranzisztor esetén
- Bemeneti jelleggörbék: az UBE és az IB közötti kapcsolatot ábrázolja. Hasonló a nyitóirányú dióda jelleggörbéhez.
- Kimeneti jelleggörbék: az IC és az UCE közötti viszonyt ábrázolja. Az egyes jelleggörbék meghatározott bázisáram értékekre érvényesek, amelyet a karakterisztika felvétele során állandó értéken kell tartani.

Áramokra vonatkozó átviteli (transzfer) jelleggörbék:
Ezt a jelleggörbét áramvezérlési jelleggörbének is nevezik. A kollektoráram és a bázisáram összetartozó értékeit adják meg, állandó UCE feszültségnél.
Tranzisztor alapegyenletei, négypólus paraméterei:
Aktív működés közben folyó áramokra vonatkozó alapegyenletek: IE=IC+IB; IC=A*IE+ICB; IB=(1-A)*IE-ICB.
Négypólus paraméterek (hibrid): ; ; .

Tranzisztor frekvenciafüggése:
A belső kapacitások miatt a tranzisztor vezérelhetősége nagyfrekvenciás irányban romlik, ugyanakkora bemeneti áramváltozás kisebb kimeneti áramváltozást hoz létre, vagyis az áramerősítési tényezők nagyfrekvencián csökkennek.
A váltakozó áramú helyettesítő kapcsolásban a csatoló kondenzátorokat közepes frekvencián, váltakozó áramú szempontból rövidzárnak tekintjük. Alacsonyabb frekvenciákon ezek a kondenzátorok szintcsökkenést okoznak, mivel frekvenciafüggő feszültségosztót alkotnak az őket terhelő ellenállással. A szintcsökkenés általában nem lehet nagyobb mint 3 dB.

A. ISMERTESSE A ZENER DIÓDA MŰKÖDÉSÉT, ÉRTELMEZZE A KARAKTERISZTIKA ALAPJÁN LEGFONTOSABB JELLEMZŐIT! RAJZOLJA FEL A ZENER DIÓDÁS ELEMI STABILIZÁTOR KA

Zener-dióda működése:
A Zener-diódák a PN-átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy közelítőleg állandó értékű a záróirányú feszültség a kivezetései között, ha letörési tartományban működik. Nyitóirányú működésük megegyezik a normális Si-diódákéval. Záróirányban a PN-átmenet szennyezésétől függő UZK Zener-feszültségig nagy ellenállást, a Zener-feszültség elérése után kis ellenállást képviselnek. A Zener-dióda félvezető rétegeinek szennyezése erősebb, mint más diódák esetében, mivel a letörési feszültségszintet csökkenteni kell és megfelelően kis értékű differenciális ellenállás csak így érhető el. A letörési tartományban tapasztalható kis ellenállású állapot a Zener-hatás és lavinahatás (lásd: 4a-tétel) együttes következménye.
Zener-dióda jelleggörbéje, tulajdonságai:
I. Nyitótartomány: nyitó irányú polarizálás esetén a Zener-dióda karakterisztikája megegyezik egy közönséges Si-dióda karakterisztikájával (UD=0,7V).
II. Zárótartomány: nagyon kis értékű zárási áram folyik, amely a diódának nagyon nagy záróirányú ellenállást biztosít.
III. Könyöktartomány: ebben a tartományban kezdődnek meg a letörési jelenségek. Erősen szennyezett szilíciumdiódák letörési feszültsége 6V-nál kisebb, és a letörési mechanizmus alapja a Zener-letörés. Ha gyengébben szennyezett az átmenet, akkor a lavinaletörés lesz a fellépő jelenség.
IV. Letörési tartomány: kis feszültségváltozás nagy áramváltozást eredményez. Ezek a változások határozzák meg a Zener-dióda, nagyon kis értékű rZ differenciális ellenállását. A differenciális ellenállás értéke a letörési tartományban meghatározza a Zener-dióda feszültségstabilizálási képességét. Minél kisebb a differenciális ellenállás, annál jobb a feszültségstabilizálási képesség.

Jelleggörbét jellemző mennyiségek: kis értékű záróirányú áramok esetén a feszültség erőteljesen változik az áram változásával, tehát a differenciális ellenállás nagy értékű, ezért a Zener-dióda működési tartományának alsó határát egy, IZmin minimális Zener-áram határozza meg. A fellépő áram értéke nem lépheti túl az IZmax maximális Zener-áram szintet a dióda maradandó károsodása nélkül, ezért célszerű áramhatárolást alkalmazni, melyet legegyszerűbb egy ellenállással megvalósítani. Az UZK jellemző Zener-feszültségen általában azt a feszültséget értjük, amely esetén egy meghatározott IZK záróirányú áram folyik. A minimális (IZmin) és maximális (IZmax) Zener-áram között elhelyezkedő jelleggörbe szakaszt működési tartománynak nevezzük.
Zener-diódás elemi stabilizátor:
A letörési tartományban működő Zener-dióda kis differenciális belső ellenállásán (rZ), nagy áramváltozás mellett is csak kis feszültségváltozás jön létre. Az R előtét ellenállást (a bemeneti feszültségingadozásokat veszi fel) és a dióda típusát a következő szempontok szerint kell megválasztani:
1. Ikimin és Ubemax esetén, a diódán átfolyó áram a megengedhető maximum alatt legyen
2. Az Ikimax és az Ubemin együttes értéke mellett a dióda árama nullánál nagyobb legyen, mert így a dióda munkapontja a lineáris Zener-tartományban marad.
A Zener-dióda munkapontja a bemeneti feszültségváltozástól függetleníthető, ha az R helyére áramgenerátort kapcsolunk. Ha a beállítás olyan, hogy Iki <<>

Kapacitásdióda:
A félvezető dióda tértöltési tartománya a diódával párhuzamosan kapcsolt kapacitásként viselkedik. Az átmenet két oldalán található különböző típusú töltéshordozók páronként elemi kondenzátorokat képeznek. Ezeknek az elemi kondenzátoroknak a párhuzamos kapcsolásából alakul ki az átmenet eredő kapacitása, melyet Cs záróréteg-kapacitásnak nevezünk. A záróréteg-kapacitás a legtöbbször károsan befolyásolja a dióda működését, mivel magas frekvencián kicsi impedanciája rövidrezárja a PN-átmenetet, megszüntetve ennek egyenirányító tulajdonságát.
A kapacitás diódák különleges felépítésű Si-diódák, amelyek feszültséggel szabályozható kapacitásként működnek. Éles PN-átmenet esetén a záróréteg-kapacitás a zárófeszültség négyzetének reciprokával egyenlő.
A kapacitásdióda rezgőkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvenciademodulációt megvalósító áramkörökben szokták alkalmazni (TV vevőkészülék hangoló egysége).

Nagyfrekvenciás dióda (tűsdióda):
A félvezető alapanyagból (Ge, Si) kis lemezt készítenek, amelynek felületére egy rugós alakra hajlított hegyes huzalt (tűt) helyeznek és áramimpulzus segítségével összehegesztik a kristállyal. A huzal ötvözőanyagként megfelelő akceptoratomokat tartalmaz (Wolfram), amelyek az áramimpulzus hatására bekövetkező erős felhevülés során behatolnak az N-típusú félvezetőkristályba, és nagyon kis átmérőjű és mélységű P-típusú tartományt alakítanak ki. A tű hegye körül így alakul ki a mikro-átmenet.
A tűs diódák nagy előnye, hogy az átmenet kicsiny felülete miatt igen kicsi a rétegkapacitása. Ezért alkalmas nagyfrekvenciás működésre is. A semleges rétegek soros ellenállása meglehetősen nagy, ezért karakterisztikája elég erősen eltér az ideálistól.
A tűsdiódák egyik különleges típusa az aranytűs dióda, amely egyesíti a tűs és a rétegdióda előnyeit. Az aranytűs dióda 30÷50 MHz frekvenciahatárig alkalmazható. Főleg a híradástechnikában alkalmazzák magasfrekvenciás detektorokban, frekvenciaváltó áramkörökben és kapcsoló áramkörök alkotóelemeként.
Schottky-diódák:
A Schottky-diódák egy fém-félvezető közötti átmenet tulajdonságait használják ki. Az N-szennyezettségű félvezető rétegre vékony aranybevonatot visznek fel a fém vákuumban történő párologtatásával. A fém-félvezető felületen keresztül diffúziós folyamatok indulnak el, amelynek során az N-rétegből elektronok vándorolnak át a fémrétegbe. A diffúzió következtében az érintkezési felület két oldalán tértöltési-zóna és ebben egy potenciálgát alakul ki.
A záróirányú áram értéke igen csekély. A Schottky-diódák nagyon magas frekvenciákig működnek kielégítően (GHz). Nyitóirányú feszültségesésük csupán 0,3÷0,4 V. A gyakorlatban a gyorsműködésű digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák.
Alagútdiódák:
Az alagútdióda egy nagymértékben szennyezett P++N++ -átmenetből áll. A félvezető rétegek erős szennyezése következtében, már kis záróirányú feszültségek esetén is kis ellenállású állapotba kerül. Nyitóirányú polarizálás esetén jelleggörbéjén egy negatív jelleggörbe-tartomány is kialakul (PV-szakasz). A jelleggörbe P és V pontja között a dióda differenciális ellenállása negatív előjelet vesz fel. Ezt a jelenséget nagyon előnyösen használják ki rezgőkörök csillapításának megszüntetésére. A megfelelő hatásfok elérése érdekében főleg magasfrekvencián (1÷100 GHz) alkalmazzák detektálásra, rezgéskeltésre és erősítésre.

ISMERTESSE AZ EGY P-N ÁTMENETES FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK FIZIKAI FELÉPÍTÉSÉT ÉS MŰKÖDÉSÉT! CSOPORTOSÍTSA A FÉLVEZETŐ DIÓDÁKAT ALKALMAZÁSI TERÜLETEIK ALAPJÁN

A félvezető dióda olyan elektronikai félvezető eszköz, amely egy fém-, üveg- vagy műanyagtokba zárt kivezetésekkel ellátott PN-átmenetet tartalmaz. A rajzjel háromszögrésze a P-tartományt (anód) szimbolizálja, míg a függőleges vonalrésze az N-tartományt (katód). A PN-átmenet a rákapcsolt feszültség polaritásától függően nyitó-, vagy záróirányban működtethető. Nyitóirányú a félvezető dióda előfeszítése, ha a P tartomány az N-réteghez képest pozitív feszültséget kap, ellenkező polaritás esetében záróirányú előfeszítésről beszélünk. Ha a félvezető dióda nyitóirányú polarizálással van bekötve a dióda által képviselt ellenállás nagyon kis értékű. Záróirányú polarizálás esetén a dióda ellenállása igen nagy értékű. A dióda tehát nyitóirányban átengedi az elektromos áramot, záróirányban pedig lezárja, ezért a félvezető diódának egyenirányító hatása van.
A félvezető dióda nyitóirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda nyitóirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kialakult villamos térerősség (E0) egy alacsonyabb E0-EF szintre gyengül, míg a potenciálgát értéke egy UD-UF értékre csökken. A nyitóirányú előfeszítés csökkenti a diffúziós feszültséget, amely megakadályozza a többségi töltéshordozók vándorlását.

Kis nyitóirányú feszültség esetén (UF <> UD feszültségértékre gyakorlatilag lineárisnak tekinthető. A nyitóirányú áram értéke függ a hőmérséklettől, mivel a hőmérséklet növekedésével a termikus töltéshordozók száma exponenciálisan nő, a dióda nyitóirányú karakterisztikája balra tolódik.
A félvezető dióda záróirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda záróirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kezdetben kialakult villamos térerősség (E0) egy E0 + ER szintre felerősödik, míg a potenciálgát értéke UD + UR értékre nő. A tértöltési zóna a félvezetőben a záróirányú feszültség függvényében kiszélesedik.
A PN-átmeneten záróirányú polarizálása esetén nagyon kis értékű áram halad át, amelynek értéke független a rákapcsolt zárófeszültségtől. Ezt az áramot záróirányú áramnak vagy visszáramnak nevezzük. A záróirányú áram nagysága a hőmérséklet növekedésével exponenciálisan nő. Állandó hőmérsékleten nulla záróirányú feszültség esetén a visszáram is nulla.

A kisebbségi töltéshordozók áramlása már igen kis záróirányú feszültség esetén megindul és a visszáram néhány tized voltnál telítésbe kerül. Az UR záróirányú feszültséget tovább növelve a karakterisztikán egy kritikus feszültségértéket érünk el (UZ – letörési feszültség), ahol a visszáram először kismértékben, majd rohamosan növekszik. A karakterisztikának ezt a szakaszát letörési tartománynak nevezzük. A gyors áramnövekedés két jelenség, általában együttes fellépésének tulajdonítható:
1. Zener-letörés: a kialakuló villamos tér erőhatása elektronokat szabadít ki a félvezető kristály kötéséből, amelyek szabad töltéshordozóként részt vesznek az áram létrehozásában. A Zener-letörés mindkét oldalon erősen szennyezett zónájú diódákban lép fel (Zener-diódák).
2. Lavinaletörés: ha a záróirányú feszültség túllép egy kritikus értéket (UZK), a félvezetőben jelenlevő szabad elektronok akkora mozgási energiára tesznek szert, hogy ütközéseik révén további elektronokat szabadítanak ki az atomi kötésekből. Ennek következtében lavinaszerű töltéshordozó-sokszorozás indul meg.
A félvezető dióda teljes karakterisztikája:
A félvezető diódák I=f(U) karakterisztikájának meghatározására alkalmas kapcsolásban alkalmazott feszültségforrás, változtatható kimeneti feszültséget kell biztosítson. A jelleggörbéből meghatározható a diódák ellenállása: egyenáramú ellenállás (RF = UF / IF); differenciális ellenállás (rF = ∆UF / ∆IF).


A dióda teljes karakterisztikáján négy különböző tartományt különböztetünk meg:
I. Letörési tartomány: kis záróirányú feszültségváltozás hatására nagy áramváltozás következik be. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke gyakorlatilag nullának tekinthető. Az átmeneten átfolyó visszáram igen nagy értéket vehet fel, amelyet korlátozni kell.
II. Zárási tartomány: a visszáram telítési jelleget mutat. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke nagyon nagy. A dióda egyenfeszültség és váltakozófeszültség esetén is szakadásként viselkedik.
III. Nyitóirányú tartomány, exponenciális szakasza (UF ≤ UD): a diódán átfolyó áram a nyitóirányú feszültség növekedésével exponenciálisan nő. A PN-átmenet egyenáramú ellenállása ugyanakkor egyre kisebb lesz.
IV. Nyitóirányú tartomány, lineáris szakasza (UF ≥ UD): a diódán folyó áram minimális mértékben függ a nyitóirányú feszültség változástól. A dióda kis értékű elektromos ellenállásként viselkedik.
A félvezető diódák csoportosítása:
a. Egyenirányító diódák: váltakozó áram egyenirányítására, azaz egyenárammá való átalakítására használják.
b. Zener diódák: feszültségstabilizálásra és feszültséghatárolásra használják.
c. Tűsdiódák: főleg híradástechnikában alkalmazzák magas frekvenciás detektorokban, frekvenciaváltó áramkörökben és kapcsoló áramkörök alkotóelemeként.
d. Kapacitásdiódák: rezgőkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvencia-modulációt megvalósító áramkörökben használják.
e. Alagútdiódák: magas frekvencián alkalmazzák detektálásra, rezgéskeltésre és erősítésre.
f. Schottky diódák: gyorsműködésű digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák.

ÉRTELMEZZE A FÉLVEZETŐ EGYKRISTÁLY TULAJDONSÁGAIT ÉS A SAJÁT VEZETÉS FOGALMÁT! ISMERTESSE A FÉLVEZETŐK SZENNYEZÉSÉNEK MÓDJÁT ÉS A SZENNYEZÉSES VEZETÉS

A legfontosabb félvezető elemek a germánium (Ge) és a szilícium (Si). Atomjaik kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A kristályszerkezet minden egyes atomja megosztja négy vegyértékelektronját a szomszédos atomokkal úgy, hogy egy-egy elektronja a legközelebbi atom egyik elektronjával összekapcsolódva párt alkot. A kovalens kötések egy szimmetrikus tetraéderes szerkezet felépítéséhez vezetnek, amely a kristálynak erősséget és stabilitást biztosít. Az alapvető félvezető anyagokat (Ge, Si) az alapanyagokból, fizikai és vegyi tisztítás révén nyerik. A félvezető eszközök gyártására nagytisztaságú monokristályos (egykristályos) anyagokat használnak.
A félvezetők saját vezetése:
Az olyan félvezetőt, amelyben a szabad töltéshordozók kizárólag úgy jönnek létre, hogy egyes elektronok a vegyértéksávból a vezetési sávba kerülnek, szerkezeti félvezetőnek nevezzük.
A szilícium egykristály kristályszerkezetében minden elektront lekötnek a kovalens kötések. A szilárd halmazállapotú anyagokban az áramvezetés, csak szabad elektronok útján jöhet létre. Így tehát a szilícium egykristály ideális szigetelő lehetne. A valóságban ez csak T=0 K esetén, vagyis abszolút nulla hőmérsékleten van így, mert nincs olyan energia, amely mozgásban tartaná az elektronokat. Amikor a hőmérséklet az abszolút nullapontból kiindulva emelkedni kezd, az anyagba jutott hőenergia révén szétbomlik egy-egy kovalens kötés. Szobahőmérsékleten már akkora a hőenergia, hogy számos vegyértékelektron kiszabadul a kovalens kötésből, s ez az anyag vezetőképességét megnöveli.
A kiszabaduló elektron egy szétszakított kovalens kötést (elektronhiányt) hagy maga után, lyuk keletkezik. A lyuk egy negatív töltés hiányát jelenti, ezért a szomszédos elektronok egyikéből magához vonz egy elektront. Ez az elektron szintén lyukakat hagy maga után, vagyis elektromos tért hatására az elektron a pozitív, a lyuk pedig a negatív pólus felé mozog, vándorol. A szétszakadt kovalens kötésekből származó elektron és lyuk, elektron-lyuk párt alkot és a leírt folyamatot elektron-lyuk pár hőátadás révén történő (termikus) képzésének nevezik.
A kristályban minden szabályosság nélkül, véletlenszerűen mozgó elektron ha egy lyukkal találkozik, a szétbomlott, hiányzó kovalens kötés újra létrejön és az elektron és az elektron, valamint a lyuk mint szabad töltéshordozó megszűnik. Az ilyen folyamatot rekombinációnak vagy újraegyesülésnek nevezzük. A félvezető anyagon belül mindig találunk az adott hőmérsékletre jellemző számú szabad töltéshordozó párokat. Ezek a hőhatással előidézett elektron-lyuk párok hozzák létre, a félvezető saját vezetését. A szerkezeti félvezetők saját vezetése, amely egyenesen arányos a termikus töltéshordozók számával, exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel.
A szennyezéses félvezetők tulajdonságai:
A tiszta félvezetőket negatív hőmérsékleti tényezőjű (NTC-ellenállásként) alkalmazzák. A félvezető anyag vezetőképessége – alacsony hőmérsékletfüggés mellett – idegen atomokkal való szennyezéssel növelhető. Ha az idegen atom mint többlet szorul be a kristály atomjai közé, akkor intersticiális szennyezésről, ha pedig be is épül a rácsszerkezetbe, akkor helyettesítő szennyezésről beszélünk.
A négy-vegyértékű Si és Ge kristályrácsba olyan atomok épülhetnek be, amelyek három vagy öt vegyértékelektronnal rendelkeznek. Az alapvető félvezetők esetén kéttípusú szennyezésnek van jelentősége: öt-vegyértékű szennyező atomok (foszfor, antimon, arzén, bizmut); három-vegyértékű szennyező atomok (bór, alumínium, indium, gallium).
A szennyező atomok kiszorítják helyükről a félvezető kristály alapatomjait, de számos vegyértékelektronjuk nem alkot kovalens kötést a szomszédos atomokkal. A kristályban ezek a kötetlen elektronok vehetnek részt az áramvezetésben, ezért a szennyezett félvezető a hőmérséklettől függetlenül jól vezeti az áramot.
N-típusú szennyezés:
Feltételezzük, hogy egy Si-kristályba öt vegyértékelektronnal rendelkező szennyező atom (P - foszfor) épül be. A szennyező P atom négy elektronja részt vesz a szomszédos Si atomok elektronjaival létesített összeköttetésekben. Az ötödik elektron, amelyik nem tud rácskötést létrehozni, csak lazán kötődik atomtörzséhez és így már nagyon csekély energiaközelítéssel vezetési elektronná válik. Az öt-vegyértékű szennyezőatomok mindegyike tehát egy szabad elektront hoz létre a kristályban anélkül, hogy egyúttal lyuk is keletkezne, mivel hiányos kötés nem marad vissza.
Ha a kristályban előforduló szabad elektronok száma sokkal nagyobb, mint a lyukak száma, akkor N-szennyezésű Si-ról beszélünk. Az ötvegyértékű foszfor atomot mivel elektront ad le donor atomnak, magát a szennyezést donorszennyezésnek is nevezzük. Az elektronokat ebben az esetben többségi töltéshordozónak, a lyukakat pedig kissebségi töltéshordozóknak nevezzük.
P-típusú szennyezés:
A szerkezeti félvezető anyagok vezetőképességének növelése három vegyértékű szennyezőatomok kristályrácsba való beépítésével is elérhető. A bóratom a Si-hoz hasonló nagyságú, és egy Si-atomot helyettesít a kristályrácsban. Ekkor csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötésből hiányzó elektron helyén egy lyuk keletkezik. Már kis energiaközelítéssel is lehetővé válik, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon és így saját helyét hagyja betöltetlenül hátra. A keletkezett lyuk másik elektron számára válik betölthetővé, és így a lyuk a szokásos módon vándorolhat a kristályba.
A három vegyértékű szennyezőatomok a lyukak létrehozásával elektronokat vesznek fel, ezért akceptor vagy P-típusú szennyezőanyagoknak nevezzük őket. A félvezetőt P-szennyezettségűnek nevezzük. A P-típusú félvezetők esetében a lyukak a többségi, az elektronok kissebségi töltéshordozók.
Áramvezetés a félvezetőkben:
Homogén (egynemű) szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók a rács-atomok külső elektronhéjával vagy más szabad töltéshordozókkal való ütközéseik miatti hőmozgás révén rendezetlenül, véletlenszerűen mozognak a kristályban. A töltéshordozók mozgásának félvezetőkben, a hőmozgáson kívül két oka lehet: a töltéshordozók változó koncentrációja; egy belső, vagy külső elektromos tér jelenléte.
Az inhomogén szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerű, hanem arra irányul, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésre álló teret. Az olyan töltéshordozó áramlást, amely koncentráció különbségből adódik, diffúziós áramnak nevezzük.
Az elektronok diffúziója következtében a félvezető kristály egyes részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, viszont az anyag egészében nézve elektromos szempontból semleges marad. Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belső villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a jelenség egy újabb elektromos áramot hoz létre, amelynek iránya a diffúziós áraméhoz képest ellentétes, de nagyságuk megegyezik. Ha a félvezető kristályban a töltéshordozók kitüntetett irányú mozgása külső vagy belső elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodrási áramnak vagy driftáramnak nevezzük.
A PN-átmenet működése:
A félvezetőelemek felépítésében P-típusú és N-típusú rétegek egyaránt megtalálhatók. Ezek között a különböző elektromos vezetőképességű rétegek között, a szennyezőatomok eloszlásának változása lép fel. Ha ez a változás nagy távolságon jön létre, akkor a két szennyezett félvezető réteg viselkedése egymástól független. Abban az esetben viszont, amikor a szennyezőatomok koncentrációjának változása a vezetés típusának megváltozásával egy maximálisan 1μm szélességű zónán jön létre, egy PN-átmenetet kapunk.

Egy P és egy N-szennyezésű félvezető hasábból kialakítunk egy félvezetőt. Kezdeti időpontban a két réteg elektromosan semleges. Az N-réteg szabad elektronjait a kristályszerkezetben rögzített helyzetű és ötvegyértékű donor ionok töltése, a P-rétegben található lyukakat a három-vegyértékű akceptor ionok töltése semlegesíti. A két réteg közvetlen érintkezési felületénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt bizonyos mértékű diffúzió indul meg:
• az N-szennyezésű rétegből elektronok diffundálnak az átmeneten keresztül a P-szennyezettségű rétegbe,
• a lyukak viszont a P-szennyezettségű rétegből átdiffundálnak az N-szennyezettségű rétegbe.
Amikor az N-szennyezettségű rétegből diffundáló elektron áthalad az átmeneten, egy olyan tartományba kerül, ahol igen nagy a lyukak sűrűsége. A rekombináció valószínűsége olyan nagy, hogy az elektron, mint szabad töltéshordozó rövid idő alatt megszűnik.
Hasonló körülmények közé kerül a lyuk is az N-szennyezettségű rétegben. Ily módon az átmenet környezetében a félvezető kristály töltéshordozókban elszegényedik és egy tértöltésű tartomány keletkezik, amelyet helyhez kötött donor-, illetve akceptor ionok alkotnak. Ez az N-réteg pozitív töltésű donorionjaitól, a P-réteg negatív akceptorionjai felé irányuló elektromos teret hoz létre. A többségi töltéshordozókból álló diffúziós áram nagysága az átmenet környezetében kialakuló erőtér gyors növekedésének hatására fokozatosan csökken. Az elektromos tér által átsodort kisebbségi töltéshordozók úgynevezett sodródási árama igen csekély. A többségi töltéshordozók további diffúziója a szomszédos területek felé megszűnik és kialakul egy energiaegyensúly, amely állandó szinten tartja az átmeneten a potenciálkülönbséget.