Dr. Pap László jegyzete - BME Hálózati Rendszerek és ...

30 3. AZ ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖK TULAJDONSÁGAINAK AZ ÖSSZEFOGLALÁSA
L
n
Semleges adalékolt tömb
szabad elektronok
U
I
A
3.4. ábra. Az n típusú adagolt (szennyezett) félvezető tömb ohmos vezetése.
jelent, hogy az anyagban az elektronok és protonok száma azonos, de amíg a protonok az anyagot
alkotó atomok magjában helyezkednek el, ezért mozgásra képtelenek, addig az elektronok egy része
elektromos erőtér hatására szabadon képes mozogni (az ábrán ezt szimbolizálja az azonos számú körrel
körülvett pozitív és szabadon lévő negatív töltés jelképe). Ezek a szabad elektronok azok, amelyek
nem vesznek rész a kémiai kötésekben, hanem magasabb energiájú állapotban vannak (az úgynevezett
vezetési sávban tartózkodnak).
Az n típusú adagolt (szennyezett) félvezető tömbben a szabad elektronok úgy jönnek létre, hogy az
eredetileg tiszta homogén félvezető (tipikusan szilícium) kristályba olyan atomokat viszünk be szabályozott
sűrűségben, amelyeknek, szemben a szilícium (Si) négy vegyérték elektronjával, öt vegyérték
elektronja van (ilyen anyag például a foszfor (P )). Egy foszfor atom úgy épül be a szilícium kristályba,
hogy négy vegyérték elektronja kötésbe kerül a szomszédos szilícium atomok vegyérték elektronjaival,
egy elektron viszont nem vesz részt a kémiai kötésben, hanem "szabaddá" válik, azaz elektromos
erőtér hatására mozogni tud a félvezető tömbben. Ily módon lehetőségünk van arra, hogy adagolással
(szennyezéssel) a félvezető tömbben nagy pontossággal beállítsuk a szabad elektronok sűrűségét.
Fontos megjegyezni, hogy a kristályon belüli hőmozgás hatására az elektronok közül igen kevés
"kiszabadul" a kristályszerkezetből, és elektromos erőtérben szabadon képes mozogni, ugyanakkor a
kilépő elektron helyén elektronhiány (lyuk) keletkezik, és ez a lyuk úgy viselkedik, mint egy q töltésű
pozitív részecske, ami szintén mozogni tud az elektromos erőtér hatására (az ábrán ezt külön nem
tüntettük fel, mert ezeknek a szabaddá váló elektron-lyuk pároknak a száma általában elhanyagolható
az adagolással létrehozott szabad elektronok számához képest). Mint korábban említettük, ha egy
szabad elektron egy lyukkal találkozik, akkor az elektron belép a kristályszerkezetbe, és a szabad
elektron-lyuk pár rekombinálódik. Mindez azt jelenti, hogy egy n típusú félvezető egykristályban a
többségben lévő elektronok a szabad lyukakkal nagy valószínűséggel egyesülnek, ily módon a szabad
lyukak sűrűsége kisebb, mint a tiszta félvezető egykristályban.
n típusú félvezetők esetén a szabad elektronokat többségi, míg a hozzájuk képest kisszámú lyukakat
kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük.
Az ábrán látható homogén félvezető tömb ellenállását most is a
G = 1 R ≃ nqµ A
n
L
képlet segítségével számolhatjuk, ha a kisebbségi töltéshordozók hatását elhanyagoljuk.
(3.7)
Ohmos vezetés p típusú adagolt (szennyezett) félvezetők esetén
A p típusú adagolt (szennyezett) félvezető tömb ohmos vezetését a 3.5. ábrán illusztráljuk.
Az ábrán egy L [m] hosszúságú és A [ m 2] keresztmetszetű p típusú adagolt (szennyezett) félvezető
egykristály tömb látható, amely elektromosan semleges. A protonok az anyagot alkotó atomok
magjában helyezkednek el, ezért mozgásra képtelenek, az elektronok hiányai az úgynevezett lyukak
viszont elektromos erőtér hatására szabadon képesek mozogni. A lyukak mozgása annyit jelent, hogy