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

32 3. AZ ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖK TULAJDONSÁGAINAK AZ ÖSSZEFOGLALÁSA
Fém
Fém
L
U
U
Kiürített 1 2
U D
U
réteg
pn
U
csatlakozás
csatlakozás
n
p I
A
3.6. ábra. A p-n átmenet működésének illusztrálása.
kifejezéssel határozhatjuk meg. Az elektronok és lyukak mozgása ellentétes irányú, de a töltéseik
ellentétes előjelűek, így az általuk létrehozott áram összeadódik.
Ennek alapján egy szabad elektronokat és szabad lyukakat is tartalmazó félvezető tömb eredő
vezetése (ellenállása):
G = 1 R = (nµ n +pµ p )q A L . (3.10)
A p-n átmenet tulajdonságai, a félvezető dióda működése
A p-n átmenet működését a 3.6. ábrán illusztráljuk.
Az ábrán egyL[m] hosszúságú ésA [ m 2] keresztmetszetű félvezető egykristály látható, amelynek
egyik fele n, a másik fele p adagolású, azaz a tömb bal oldalán a szabad elektronok, jobb oldalán pedig
a szabad lyukak vannak többségben. A tömb két végére azonos fémből készült érintkezők kapcsolódnak,
amelyek a külső feszültség és áram hozzávezetését teszi lehetővé. A tömb most is elektromosan
semleges, azaz az anyagban az elektronok és protonok száma azonos.
Ha a tömbre nem kapcsolunk külső feszültséget (u = 0), akkor kétféle adagolású réteg határfelületén
a következő fizikai hatások lépnek fel:
• A szabad mozgásra képes többségi töltéshordozók (n oldalon az elektronok, p oldalon a lyukak)
diffúzió útján átlépnek az ellentétes oldalra, aminek hatására a határfelület baloldalán pozitív a
jobboldalán negatív tértöltés alakul ki (tértöltés azért, mert a szabad töltéshordozók távozásával
helyükön fix helyzetű töltések maradnak). Ezt illusztrálják a határfelület két oldalán lévő körbe
foglalt pozitív és negatív töltések. A szabad töltéshordozókat nem tartalmazó réteget kiürített
rétegnek nevezzük. A kiürített rétegben található tértöltés nem képes mozgásra, éppen emiatt
nevezzük tértöltésnek. A két oldalon a pozitív és negatív tértöltés nagysága (a töltött részecskék
száma) természetesen megegyezik egymással, és hatásukra a két felület között u D feszültség
(kontaktpotenciál vagy diffúziós feszültség) alakul ki. Ez a feszültség lényegében azonos egy
kapacitás két lemeze között mérhető feszültséggel, ha a kapacitás lemezeire töltést viszünk fel.
Éppen ezért az így kialakult kapacitást tértöltés kapacitásnak nevezzük. Az ábrán azt is érzékeltettük,
hogy a kiürített réteg szélessége a két oldalon nem feltétlenül azonos, mivel az n és p
oldalon a szabad töltések sűrűsége általában nem azonos. Az ábrán feltételeztük, hogy n > p,
azaz az n oldalon a szabad elektronok sűrűsége nagyobb, mint a p oldalon a szabad lyukaké, így
azonos számú töltött részecske az n oldalon kisebb térrészben található, mint a p oldalon.
• Az adagolt félvezető tömb és a fémes érintkezők között szintén kontaktpotenciál alakul ki, ami
azért jön létre, mert a fémben lévő elektronok (ott a szabad elektronok sűrűsége igen nagy,
mivel a fém jó vezető) diffúzió útján átlépnek a félvezető tömbbe, és a fentiekhez hasonlóan