Electronics | High school » Gerzson Miklós - Elektromos vezetés

Anyagtudomány ELEKTROMOS VEZETÉS GERZSON MIKLÓS 1 Elektromos vezetés • minden anyag vezeti az elektromos áramot, ha elektromos erőtérbe kerül • a vezetés mértéke függ: • anyagi minőségtől • halmazállapottól • szilárd halmazállapot esetén a kristályszerkezettő • a műszaki gyakorlat elsősorban • szilárd anyagok vezetőképessége • elektrolitok elektromos tulajdonságai 2 Elektromos vezetés • anyagok vezetőképesség szerinti csoportosítása: • vezetők • fémek, fémötvözetek – elektronok • elektrolitok – ionok • plazma állapotú gázok – ionok, elektronok • félvezetők • elektrontöbblet – elektronvezetés • elektronhiány - lyukvezetés • szigetelők • kovalens kristályok • egyensúlyi állapotban lévő gázok, folyadékok 3 Elektromos vezetés • elsődleges (elsőrendű) kémiai kötések: • cél a nemes gáz konfiguráció kialakítása • kötési energia 80 – 800 kJ/mol • ionos:

az egyik elem lead elektront, a másik felveszi azt, kation illetve anion képződik • kovalens: a kötő elektronok mindkét atomhoz tartoznak, közös elektronpálya • fémes: a kötő elektronok több (tetszőleges számú) atomhoz tartoznak delokalizált kötés formájában 4 Elektromos vezetés • ionos kötés jön létre: ha a EN nagy (>2) és EN is viszonylag nagy (>3) • kovalens kötés: ha a EN kicsi (<0,5) és EN viszonylag nagy (>4) • fémes kötés: ha EN kicsi (<2) és EN is kicsi (<2) 5 Elektromos vezetés • fémes kötés általános jellemzői: • a rácspontokban pozitív töltésű fémionok vannak (helyhez kötöttek) • a vegyértékelektronok szabadon mozognak elektronfelhőként • emiatt jó hő és villamosvezetők • nagy a szilárdságuk, jó az alakíthatóságuk 6 Elektromos vezetés • a fémes kötés kialakulása: két atomos „molekula” három atomos molekula négy atomos molekula sok

atomos molekula 7 Elektromos vezetés • a vegyérték elektronhéjak (általában s-, illetve d-pályák) nagyszámú, azonos energiaszintű elektronpályáinak átfedésével energiasáv alakul ki, amelyen belül az elektron bármely energiaszinten elhelyezkedhetnek, azaz viszonylag szabadon mozoghatnak • a delokalizált elektronok mindig kiegyenlítik a pozitív fémionok, illetve rétegek közötti taszító erőket  jó mechanikai alakíthatóság 8 Elektromos vezetés • elektromos vezetőképesség: • az energiasáv csak részben van betöltve elektronokkal • feszültségkülönbség hatására az elektronok a sáv betöltetlen részébe kerülnek • helyükön hiány vagy lyuk marad, amit viszont egy másik elektron tölt be, így viszont újabb lyuk keletkezik • a lyuk mindaddig vándorol, míg a külső forrásból származó elektron be nem tölti 9 Elektromos vezetés • a lyuk és a gerjesztett elektronok vándorlása ellentétes irányú • a

vezetés során sem a fémkristály tömege, töltése nem változik • a vezetőképesség a hőmérséklet növekedésével csökken, azaz nő a fém ellenállása, mivel magasabb hőmérsékleten a fémionok rezgőmozgása fokozódik, a mozgó elektronokkal gyakrabban ütköznek • szupravezetésnél az fémionok rezgőmozgása gyakorlatilag megszűnik, az elektronok „akadálytalanul” jutnak át közöttük 10 Elektromos vezetés • a fémek általában jó hővezetők, különösen az ezüst, a réz és az arany, de például a platina, az ólom és a titán nem annyira rézcsoport Al S 11 Elektromos vezetés • a hővezetés és az elektromos vezetés között van hasonlóság, de van eltérés is! hővezetőképesség elektromos vezetőképesség 12 Elektromos vezetés hővezetőképesség Au C (grafit) Al Cu Ag Au elektromos vezetőképesség 13 Elektromos vezetés • kristályszerkezet hatása az elektromos vezetésre: • a legtöbb –

köbös kristályszerkezetű és polikristályos – anyagban az ellenállás illetve a vezetőképesség anizotrop (iránytól független) jellegű • hexagonális illetve tetragonális anyagoknál viszont függ az iránytól: • grafit: a lapok síkjában a vezetőképesség 100-1000-szer nagyobb, mint azokra merőlegesen • Cd, Mg, Zn 1,5-szeres különbség 14 Elektromos vezetés • fajlagos villamos vezetőképesség  (cm) • fajlagos villamos ellenállás  (cm)-1 ahol j – áramsűrűség E – elektromos térerősség 15 Vezetés mechanizmusai • szabadelektron-közelítés • a kötésben résztvevő elektronok szabadon mozognak a teljes térfogatban • ha nincs elektromos térerő, akkor ez a mozgás rendezetlen • ha van elektromos térerő (E), akkor az elektronokra (töltése e) ható erő (F) • ez gyorsulást (a) hoz létre az m tömegű elektronon: 16 Vezetés mechanizmusai • a gyorsulás hatására az elektronok mozgása

rendezett lesz és sebességük: ez a drift vagy sodródási sebesség, ami okozza az elektromos áramot • a vd minden határon túl nőne, ha az elektronok nem ütköznének egymással és a kristály atomjaival • így a sebességük csak két ütközés között nő 17 Vezetés mechanizmusai • ebből az áramsűrűség: ahol N a térfogategységben lévő szabad elektronok száma • a fajlagos vezetőképesség • egyszerű képlet, de nem magyarázza azonos fémek különböző módosulatainak, illetve azonos vegyértékű fémek eltérő vezetőképességét 18 Vezetés mechanizmusai • kvantummechanika segítségével lehet a válaszokat megkapni, figyelembe kell venni a • Pauli-féle tilalmi elvet (két vagy több elektron azonos állapotú nem lehet) • Heisenberg-féle határozatlansági relációt (egy mozgó elektron helye és impulzusa egyszerre csak bizonyos pontatlansággal határozható meg) • ennek alapján az elektronok maximális energiája ahol

a redukált Planck állandó 19 Vezetés mechanizmusai • EF a Fermi-energia vagy Fermi szint, az a maximális energiaérték, amivel az N vezetőelektronok közül a legnagyobb energiájúak rendelkeznek 0 K-en • az elektronok energiája széles sávban oszlik el, az energiaállapotok betöltését a Fermi-függvény adja meg: F(E) annak a valószínűsége, hogy a E energia-állapot T hőmérsékleten betöltődik (k – Boltzmann állandó) 20 Vezetés mechanizmusai • ha T0K és E<EF, akkor F(E)=1 E>EF, akkor F(E)=0 • ha T > 0K és E<EF, akkor F(E)=10,5 E>EF, akkor F(E)=0,50 21 Vezetés mechanizmusai • az elektronok eloszlásfüggvénye T = 0K és adott T > 0K hőmérsékleten 22 Vezetés mechanizmusai • az egymástól távol lévő atomok elektronjai meghatározott állapotban mozognak az atommag körül • az egyes elektronok állapota a kvantumszámokkal jellemezhető • ha egymáshoz közeledik kettő vagy több atom, akkor a

külső elektronok mozgásállapota megváltozik  a Pauliféle tilalmi elv kizárja, hogy több elektron azonos állapotban legyen • minden állapot annyi szorosára hasad, ahány atom megközelíti egymást 23 Vezetés mechanizmusai • N darab egyforma atom kerül közel egymáshoz, akkor az atomi energiaszintek N részre szakadnak fel • a felhasadás mértéke nagyon kicsi az atomi energiaszintek közötti különbséghez képest • ha N nagy, akkor az energiaszintek „folytonosnak” tekinthetőek 24 Vezetés mechanizmusai • így a különálló energiaszintek helyett energiasávok jönnek létre • a nátrium (Na) esetében • a 3s és 3p pályák között létrejön • 2p pálya már nem, mert ahhoz olyan közel kellene kerülnie az atomoknak egymáshoz, amit a rácsszerkezet már nem enged meg 25 Vezetés mechanizmusai • a Na-ban a kötőelektronok egy része a 3p sávba kerül, mert így kisebb lesz az energiájuk, mint a 3s sávban: N elektron N/2

állapotban lesz 3p 3s Na sávszerkezete EEFFEF EF 3s 3p Mg sávszerkezete • a magnéziumnál (Mg) két külső elektron van 3s2, így 2N számú elektronnak N számú állapot kell, kötéskor az elektronok nagyobb része kerül a 3p-re 26 Vezetés mechanizmusai • a Na és a Mg kötőelektronjai Vegyérték elektronok Lezárt elektronhéjak 27 Vezetés mechanizmusai • az átmeneti fémeknél megjelenik a d-pálya is, de ennek energiaszintje magasabb, mint az eggyel nagyobb kvantumszámú s pályáé, de kisebb, mint az eggyel nagyobb kvantumszámú p pályáé • így a vasnál (4s2 3d6) a maximális EF szint mindkét pályánál azonos, itt helyezkednek el a kötőelektronok 4s 3d EF 4p 28 Vezetés mechanizmusai • a réznél viszont a d pálya telített (4s1 3d10), tehát csak a 4s sávban vannak üres állapotok, így csak az s-pályán lévő elektronok vesznek részt a kötésben 4p 3d 4s 29 Kristályszerkezet hatása a vezetésre •

elektron kettős természetű • részecske • hullám • egy v sebességgel mozgó m tömegű elektronhoz tartozó de Broglie-hullámhosszúság: • a hullámok kölcsönhatásba lépnek a kristályszerkezettel (elektrondiffrakció) 30 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • kristályokban az elektron energiája a helynek periodikus függvénye • a hullámok interferenciája akkor következik be, ha •  helyett a k hullámszám felületi feszültség a atommagok ahol n az egész számok sorozata, d a párhuzamos kristálysíkok távolsága  az elektron hullámok beesési szöge 31 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • síkban ábrázolva azokat a k hullámszámokat, melyekre n =1 egy négyzetet kapunk • az ilyen k hullámszámvektorok végpontjai a négyzet határaira illeszkednek • síkban egyenes  térben síklap  Brillouin-zónák • n = 1, 2, 3 értékekre egyszerű négyzetes síkrács Brillouin-zónái − � � � � −

� � � � 32 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • minden kristályszerkezetben más-más síkokra és irányokra egyenlet teljesül a • más-más Brillouin-zónák tartoznak az egyes kristálytípusokhoz 33 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • a k hullámszám és az E energia közötti összefüggés szabad elektronokra : • az interferencia miatt adott k értékekhez tartozó energiát az elektronok nem vehetik fel, így ott az összefüggés torzul 34 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • az energiaértékek torzulása megjelenik az elektron-sűrűség függvényben • a Brillouin-zónák határainál módosul az elektronok mozgása • külső elektromos tér esetén azok az elektronok, amiknek az energiája a zónahatárok közelébe esik, nem tudnak gyorsulni, az ún. effektív tömegük, m*, nagy lesz • vezetőképesség kvantummechanikai alapon: 35 Kristályszerkezet hatása a vezetésre m*/m Neff (1/atom)  (-1m-1)

kristályrács Na 0,94 1 2,09107 t.kk Cu 1,47 5,76107 f.kk Fe 12 1 0,2 1,01107 t.kk Pt 22 0,6 0,92107 f.kk Ni 28 0,6 1,36107 f.kk Vegyjel az adatok tiszta fémre és 0K-re vonatkoznak! 36 Kristályszerkezet hatása a vezetésre • reális körülmények, azaz nem 100%-os tiszta fémek és szoba hőmérséklet estén a fajlagos vezetés kisebb, a fajlagos ellenállás nagyobb lesz • okai: • magasabb hőmérséklet miatti nagyobb amplitúdójú rezgések, • egy és két dimenziós geometria hibák, • felületi hatások mindhárom torzítja a periodikus potenciálteret 37 Hőmérséklet hatása a vezetésre • hőmérséklet növelésével nő a fajlagos ellenállás 38 Hőmérséklet hatása a vezetésre • hőmérséklettől való függés közelítései: • lineáris szakaszokon • nemlineáris szakaszokon ahol 0 fajlagos ellenállás szobahőmérsékleten T az ettől való hőmérséklet eltérés •

például a Pt esetében 39 Hőmérséklet hatása a vezetésre • idegen atomok okozta szubsztitúciós hibák hatása: Cu ellenállása Ni-tartalom függvényében maradó ellenállás 40 Hőmérséklet hatása a vezetésre • ferromágneses anyagoknak a Curie pont közelében megváltozik az ellenállása • ezért van a Ni görbéjén a nemlineáris ugrás • a Fe-nál viszont csökken az ellenállás • az allotróp kristályszerkezet átalakulásoknál is változik az ellenállás, de nem egyértelmű a jellege – miután a fázis átalakulás fokozatosan megy végbe, az ellenállás-változás nem tűnik ki 41 Hőmérséklet hatása a vezetésre • halmazállapot-változás hatása – olvadékban nagyobb a rendezetlenség, így nagyobb az ellenállás 42 Ötvözés hatása • az idegen atomok az alapfém kristályszerkezetében torzulás okoznak, megváltozik a periodikus potenciáltér, nő a fajlagos ellenállás • a vegyérték különbségből

adódó hatás nagyobb, mint a méretkülönbség hatása • N értékének változása • effektív tömeg növekedése a zóna nagyobb feltöltődése miatt 43 Ötvözés hatása • Cu-ötvözetek fajlagos ellenállás változása 44 Ötvözés hatása • Cu-Ni ötvözet fajlagos ellenállás változása 45 Ötvözés hatása • ellenállás-változás fázis diagram alapján egymást nem oldó egymást korlátlanul oldó egymást nem oldó, de intermetallikus vegyületet képző egymást korlátozottan oldó a szilárd oldatnak nagyobb az ellenállása, mint a második fázisnak 46 Képlékeny átalakítás hatása • a képlékeny átalakítás a fajlagos ellenállást növeli • oka: az átalakítás hatására nő a kristályhibák száma ahol k anyagra és átalakításra jellemző állandó n egynél nem sokkal nagyobb érték (pl. polikristályos réznél 1,2-1,5) 47 Képlékeny átalakítás hatása • hőkezeléssel viszont ez a hatás

megszüntethető • pl. Ni megújulása 48 Villamos vezetékanyagok • Réz és ötvözetei • az IACS rögzíti a 100%-os lágyított réz vezetőképességét • 1 m hosszú, 1 g tömegű, 293 K hőmérsékletű réz ellenállása 1,7241 cm • ennél kisebb fajlagos ellenállású réz is létezik 49 Villamos vezetékanyagok • a réz tipikus szennyezői: S, Zn, Pb, As, Sb, Fe, Ni, Co, Bi 50 Villamos vezetékanyagok • a réz legrosszabb szennyezője az O • Cu2O-t a H redukálja, a létrejövő vízgőz az üregekben összegyűlve törést okoz a vezetékben • gumi szigetelőréteg hatása • a gumi a rézből felveszi a szennyezők egy részét (Fe, Ni, Co) és ez az elridegedéséhez vezet • a réz a gumi kéntartalmával Cu2S-t illetve Cu2SO4-t képez, ami korróziót okoz, ezért Sn vagy Sn-Pb réteggel védik 51 Villamos vezetékanyagok • a tiszta réz mechanikai szilárdsága kicsi, szakítószilárdsága 232 MPa • alakíthatósága

kitűnő • sűrűsége viszonylag nagy: 8,96 kg/dm3 • távvezeték anyagának alkalmatlan • Cd-mal és Mg-mal ötvözve a szilárdsága jelentősen növelhető, és a fajlagos ellenállása nem nagyon nő 52 Villamos vezetékanyagok • Al és ötvözetei • előny Cu-zel szemben • nagyobb előfordulási gyakoriság (1200x) • kisebb sűrűség (2,38 kg/dm3) • levegőn nem korrodál • alacsonyabb ár • hátrány • kisebb vezetőképesség (63%) • mechanikai tulajdonságai (de a sűrűség ellensúlyozza) 53 Villamos vezetékanyagok • a vezetőként használt alumínium jele E-Al, • minimális Al tartalma: 99,45% • szennyezők hatása a vezetőképességre, illetve a fajlagos ellenállásra 54 Villamos vezetékanyagok • azok a szennyezők rontják leginkább, melyek szilárd oldatot képeznek • több szennyező együttes hatására az egyes komponenseknek megváltozik az oldhatósága • együttes maximális szennyezés értékének

előírása (pl. Mn+Ti+V+Cr max 0,03%) • a hűtés sebességének hatása a vezetőképességre: • ha túl gyors a hűtés, akkor több marad oldatban, kisebb lesz a vezetőképesség 55 Villamos vezetékanyagok • hideg átalakítás hatása: • a vezetőképesség kis mértékben csökken • a szakítószilárdság jelentősen nő • de a képlékenységi tulajdonságai romlanak • az alumínium távvezetékbe acél huzalt tesznek merevítésként 56 Villamos vezetékanyagok • a hőmérséklet növelésével a vezetőképesség jelentősen csökken • növekvő rezgés • növekvő oldhatóság 57 Szupravezetők • szupravezetés: bizonyos anyagoknak egy adott hőmérséklet alatt megszűnik az ellenállása • Kamerlingh Onnes 1911 Hg-t vizsgálta 58 Szupravezetés • eddig kb. 25 elemről, továbbá számtalan intermetallikus vegyületről és ötvözetről derült ki, hogy alacsony hőmérsékleten szupravezetők • az Al kivételével

általában szobahőmérsékleten nem túl jó vezetők • a Si és Ge is szupravezető lesz nagy nyomás és bizonyos szennyezések hatására 59 Szupravezetés • szupravezetést befolyásoló tényezők • hőmérséklet • Nb max 9,5 K • intermetallikus vegyület (Nb3(Al0,8Ge0,3)) 20,5 K • mágneses térerősség • a hőmérséklet függvényében megadható az a maximális értéke, ami felett a szupravezetés megszűnik • a Ti, Zr, V, Nb Ta nagyobb térerősségig bírják 60 Szupravezetés • a kritikus mágneses térerősség függ a hőmérséklettől: 61 Szupravezetés • az elektromos árammal átjárt vezetők körül is mágneses tér alakul ki, ez is visszahat a szupravezetésre – kritikus áramerősség: 62 Szupravezetés • ideális szupravezető belsejében nincs mágneses indukció: H = -M (H térerősség, M mágneses térerősség) • I. típus: egész tartományban érvényes ez összefüggés • II. típus Hc1 alatt

érvényes; Hc1 és Hc2 között átmeneti állapot, de szupravezető; Hc2 felett megszűnik 63 Szupravezetés • I. típus: nincs mágneses indukció az anyag belsejében, ha T<Tc és H<Hc, így az anyag szupravezető lesz. Ha T>Tc vagy H>Hc, akkor a szupravezető állapot megszűnik és az indukció az anyag belsejében is létrejön. • II. típus: • Ha H<Hc1, akkor az anyag ideális diamágnesként viselkedik, és nincs benne indukció. Hc1 az alsó kritikus térerősség. • Ha Hc1 <H<Hc2, akkor a mágnese tér elkezd az anyagba behatolni. Hc2 a felső kritikus térerősség 64 Szupravezetés • kvantummechanikai alapú értelmezés • I. típus: az elektronok alacsony hőmérsékleten párba rendeződnek a fotoncsere révén ha ezek energiája nagyobb, mint a rács hőenergiája, akkor akadálytalanul haladhatnak • II. típus: nagyon minimális ellenállás megmarad mozgó örvények kialakulása miatt • ha az áram kicsi, akkor az

örvények állnak, • ha a hőmérséklet alacsony, az örvények „befagynak”, egyik esetben sincs ellenállás 65 Szupravezetés • szerkezeti hatások: ötvözés és kristályhibák ellenkezőleg hatnak, mint a normális vezetésnél • ötvözetek kritikus hőmérséklete lehet magasabb, mint a két komponensé • a hidegen alakított anyagok nagyobb áramsűrűség mellett lesznek szupravezetők, mint a hőkezeltek • a -volfrám szerkezetű anyagok a legjobb szupravezetők • viszont ezek hidegen nem alakítható, rideg, törékeny anyagok • speciális gyártástechnológia 66 Szupravezetés • újabb eredmények: • magas hőmérsékletű szupravezetők kritikus hőmérséklet 100 K is lehet • alkalmazás • legerősebb elektromágnesek (MRI, részecskegyorsító) • magnetométerek • digitális áramkörök készítéséhez: mobiltelefonok bázisállomásainak mikrohullámú szűrőiben 67 Félvezetők • az elektronok az atommag körül

meghatározott energiaszinteken helyezkedhetnek el (Pauli-féle tilalmi elv és a Hund szabály) • normál körülmények között az elektronok mindig a legalacsonyabb energia szintű pályákat töltik be • a legfelső energia sáv a vegyérték sáv • a fémes kötésnél láttuk, hogy az energiaszintekből energiasávok lesznek – vezető sáv • az ideális tiszta félvezetőknél a vegyértéksáv 0K-en teljesen be van töltve, a vezető sáv teljesen üres 68 Félvezetők • az áramvezetés szempontjából lényeges sávok (energiaszintek): • vegyérték sáv – ezen találhatók a delokalizált kötésben részt vevő elektronok, majdnem tele van elektronnal • vezetési sáv – gerjesztés hatására erre léphetnek fel az elektronok gyakorlatilag üres • tiltott sáv – a vegyérték és a vezetési sáv közötti tartomány 69 Félvezetők • fémeknél a két sáv átlapolódik, nincs tiltott sáv • szigetelőknél a vegyérték sáv telített,

a vezetési sáv teljesen üres, a tiltott energia sáv > 5eV (= 810-19 J) nincs áramvezetés • félvezetőknél a tiltott energiasáv kisebb, így a termikus energia néhány elektront a vezetési sávba juttathat, tiltott sáv szélessége Si: 1,12 eV, Ge: 0,7 eV 70 Félvezetők • a vezetési sáv elektronjai a mozgóképes elektronok • a lyukak a vegyérték sávban megengedett elektron állapotok 71 Félvezetők • elektronok a vezetési sáv alján • lyukak a vegyérték sáv tetején • elektron: negatív töltés • lyuk: pozitív töltés • mindkettő segíti az elektromos áram vezetését 72 Félvezetők • félvezetők csoportosítása • szerkezeti (intrinsic) félvezetők – ötvözőket (elektron donorokat ill. akceptorokat) nem tartalmazó anyagok: Si, Ge • n típusú félvezetők – a szerkezeti félvezető elektron donorral van ötvözve, a kötésben nem lévő elektron valósítja meg a vezetést • p típusú félvezetők –

a szerkezeti félvezető elektron akceptorral ötvözött, az elektronhiány miatt kialakuló lyukak miatt van vezetés 73 Félvezetők • a töltéshordozók számának növelése: • hőmérséklet növelésével • szennyezőanyagok adalékolásával • besugárzással • ideális félvezető 0K-en szigetelő • a szigetelők és a félvezetők csak a tiltott sáv szélességében különböznek 74 Félvezetők Szerkezeti félvezetők • szilícium kristályrácsa: • minden atomnak 4 kötésben lévő szomszédja van • gyémánt rács • kovalens kötés • ideális tiszta félvezető elektronjainak eloszlás görbéi és sávszerkezete 75 Félvezetők Szerkezeti félvezetők • a termikus energia felszakít néhány kötést  elektron kiszabadul • a szabad elektron a vezetési sávba kerül • a helyén megbomlik a töltés egyensúly pozitív töltésű lyuk jön létre • ha a félvezető elektromos térbe kerül, akkor az elektronok és a

lyukak ellentétes irányba mozdulnak el • lyuk a térerő irányába • elektron azzal ellentétesen 76 Félvezetők Szerkezeti félvezetők • elektron – lyuk párkeltés / generáció • elektronok száma = lyukak száma  10-10 cm-3 (tiszta, adalékolatlan, azaz intrinsic Si-nál) • élettartam: 1 ns 1 s • a generálódó szabad elektronok / lyukak száma erősen függ a hőmérséklettől • elektromosan semleges félvezetőkben a pozitív és negatív töltések előjeles összege = 0 77 Félvezetők Szerkezeti félvezetők • az elektron mozgásának a sebessége nagyobb, mivel azt csak a rácspontokon lévő atomtörzsekkel való ütközés és a kristályhibák akadályozzák • a lyukak mozgásához az kell, hogy egy szomszédos kötésből az elektron kilépjen és betöltse (hasonlít az üres rácshely mozgásához) • a lyukak effektív tömege nagyobb, mint az elektronoké • mozgékonyság jellemzése: egységnyi térerő jutó drift

sebesség 78 Félvezetők Szerkezeti félvezetők • tiszta félvezetők gyakorlatilag nem vezetik az áramot, mivel a tiltott sávok szélessége alapján a Si és a Ge esetében 10000 K kell ahhoz, hogy csak termikus energia segítségével az elektronok átjussanak a vezetési sávba • viszont tökéletesen tiszta félvezető nincs • zónás átolvasztással sem lehet a szennyezéseket teljesen eltávolítani • így a szerkezeti félvezetők is vezetik az áramot 79 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a Mengyelejev-féle periódus rendszer csoportszáma megadja a vegyérték héjon lévő elektronok számát • a Si és a Ge esetében 4 vegyérték elektron van • kevés a töltéshordozó • adalékanyaggal növelhető a töltéshordozók száma • donor anyagok: 5 elektron a vegyértékhéjon: P, As, Sb • akceptor anyagok: 3 vegyérték elektron: B, Al, Ga, In 80 Félvezetők Ötvözött félvezetők • Donor adalékolás: • a beépülő

atom semleges, protonok, elektronok száma megegyezik (5p+ 5e-) • de az 5. elektron nem vesz részt a kötésben, de az atomtörzs körüli pozitív erőtér fogva tartja • gyenge kölcsönhatás 81 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a többlet elektronok vegyértéksávba nem kerülhetnek, mert az teljesen betöltött, • a vezetési sávhoz nagyon közeli sávot hoznak létre • kis energia, 0,025 eV elegendő ahhoz, hogy az elektron vezetési sávba kerül, azaz áramvezetésre képes szabad elektron lesz • először a lyukak hatását egyenlítik ki • elektron többségi töltéshordozó • lyuk kisebbségi töltéshordozó 82 Félvezetők Ötvözött félvezetők • Donor anyagok: • foszfor, arzén, antimon • az elektronok sűrűsége nagyobb, mint a lyukak sűrűsége • n típusú félvezető 83 Félvezetők Ötvözött félvezetők • Akceptor adalékolás: • a beépülő atom semleges, protonok, elektronok száma megegyezik (3p+

3e-) • de a vegyértékhéjon csak 3 elektron van, egy hiányzik a kötéshez kis energia hatására egy vegyértéksávbeli elektron elfoglalhatja a lyukat, de megbontja az atomon belüli egyensúlyt: több lesz az elektron, mint proton • helyhez kötött negatív töltés lesz kristályrácsban 84 Félvezetők Ötvözött félvezetők • elektronhiány: lyuk a vegyérték sávban • elektront képes befogni • a megfelelő kötésszerkezet kialakul • negatív töltés jelenik meg • ami kis energiával vonzza a lyukakat • itt is kialakulnak a szintek: • akceptor szintek, a vegyértéksávhoz közel 85 Félvezetők Ötvözött félvezetők • akceptor anyagok: • bór, alumínium gallium, indium • a lyukak sűrűsége nagyobb, mint az elektronoké • p típusú félvezetők 86 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a szerkezeti félvezetőkben az idegen atomok száma 1 ppm alatt van • az ötvözött félvezetőkben a számuk 10 – 100 ppm

között • azért a felsorolt anyagokkal ötvöznek, mert ezek energiaszintjei megfelelőek • donornál az elektronszintek a vezetési sávhoz • akceptornál a lyukszintek pedig közel a vegyérték sávhoz vannak 87 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a rácshibák is befolyásolják az energiaszinteket • a diszlokációk miatt kötéshiány alakul ki • átlag diszlokáció sűrűség 1010-1012 m-2 • félvezetőkben 104-106 m-2–re csökkentik • a felületen a legnagyobb a rácshibák száma • a vágott felületeket maratással vagy elektrolitikusan eltávolítják 88 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a mozgékonyságot meghatározza • az ötvözés mértéke • hőmérséklet • a koncentráció növelésével az elektronok száma nő, de az ütközés valószínűsége is, így a mozgékonyság kissé csökken 89 Félvezetők Ötvözött félvezetők • a hőmérsékleti hatást befolyásolja a koncentráció 1.tiszta

félvezető 2.kisebb koncentrációjú ötvözés hatása 3.nagyobb koncentrációjú ötvözés hatása 90 Félvezetők Ötvözött félvezetők • alacsony hőmérséklet: szennyező sáv • a vegyérték sáv a és a donorok miatt sáv telített • a vezetési sáv és az akceptor sáv üres • a hőmérséklet növelésével megkezdődik a telítődésük 91 Félvezetők Ötvözött félvezetők • szobahőmérséklet: kiürülési sáv • a donorszint kiürül • az akceptor szint telítődik • a töltés hordozók száma nem változik • magas hőmérséklet: szerkezeti tartomány • a hőmérséklet növelésével újabb elektronok jutnak át a vegyértéksávból a vezetési sávba 92 Félvezetők Vezető polimerek • műanyagok – polietin • felváltva vannak egyes és kettős kötések • elektron bejuttatásával vagy elvonásával a félvezetőkhöz hasonló vezetés alakul ki elektromos térben • alkalmazás • kis

energiafelhasználású fotódiódák (Ga helyett) • tévéképernyők, kijelzők, stb. 93 Félvezetők Áramok a félvezetőkben •sodródási áram: a töltéshordozó elektromos erőtér hatására történő mozgása nincs térerősség van térerősség 94 Félvezetők Áramok a félvezetőkben diffúziós áram: a töltéshordozóknak a térbeli sűrűségkülönbség megszüntetésére irányuló mozgása 95 Félvezetők Félvezetők előállítása • Félvezetők előállítása • nagy tisztaságú alapanyaggyártás • zónás átolvasztás • egykristály készítés • ötvözés – dópolás • vagy az ömledékbe adagolják • vagy a felületre ötvözik, onnan diffúzióval jut a kristály belsejébe 96 Félvezetők Félvezetők előállítása • Nagy tisztaságú alapanyaggyártás • homok kb. 100 lépcsős tisztítása • oxigén eltávolítása szénnel • Ca, Al, B, Fe, P eltávolítása • napelemgyártáshoz 6-9 N

tisztáságú Si kell • chipgyártáshoz 9-11 N tisztaságú Si kell (6N = 99,999999%) 97 Félvezetők Félvezetők előállítása • Dópolási módszerek: • gőzfázisú epitaxia: n típusú félvezetők előállítására a negatív szennyezőket tartalmazó gáz átáramoltatása juttatja a félvezetőbe a szennyezőket a félvezetőnek csak egy vékony tartománya legyen dópolt • olvadékba adagolással: a Czochralski-módszernél, bór vagy foszfor adagolásával, uniform módon dópolt egy kristály • szelektív dópolás: a félvezető felületének fotolitográfiával történő maszkolásával érhető el • diffúzió, ionimplantáció 98 Félvezetők Félvezetők előállítása • Dópolási módszerek: • vezető polimerek dópolása: • kémiai dópolás oxidálószerrel • elektrokémiai dópolás • neutron transzmutációs dópolás • 30Si izotóp neutronbesugárzás hatására foszforrá alakul • drága, de nagyon egyenletes

dópolás érhető el 99 Ellenállásanyagok • legfontosabb csoportjai: • mérőellenállások • szabályozó ellenállások • fűtőellenállások • általános elvárás • nagy fajlagos ellenállás • alig változzék a hőmérséklet ( legyen kicsi) és az idő (öregedés, felületi oxidáció, keresztmetszet csökkenése) függvényében 100 Ellenállásanyagok • mérőellenállásoknál rézzel érintkezve kicsi legyen a termofeszültség • szabályozó és fűtőellenállásoknál ne legyen hőhatásokra változás • az a jó, ha felületen kialakul egy jól tapadó oxidréteg, ami megvédi a további változásoktól 101 Ellenállásanyagok • konstantán 55% Cu, 44% Ni, 1% Mn • 500°C-ig szabályozó ellenállás • alacsony hőmérsékleten fűtőellenállás • rézzel nagy termofeszültség: E, J és T típusú termoelemek, mérőellenállás •manganin 86% Cu, 12% Mn, 2% Ni • mérőellenállások, kicsi hőmérsékleti

tényezővel 102 Ellenállásanyagok • Fe-alapú ellenállásanyagok • olcsóak • Si, Cr és Al ötvözéssel gyártják • hőállóság növelés, felületi védelem • kanthal – fűtőellenállás • Ni-alapú ellenállásanyagok • Nikrothal L (75% Ni, 17% Cr, 8% Si+Mn) a legkisebb hőmérséklet tényezőjű ellenállás (=0,000003 K-1) 103 Ellenállásanyagok • fűtőellenállások • Mo-, W-, Ta-alapúak, magas az op, de az O-nel könnyen reagálnak magas hőmérsékleten • Pt ellenáll az O-nek, de drága • szilit SiC 1420 °C-ig • grafit 2020 °C-ig semleges, redukáló környezetben • MoSi2 1620 °C-ig, de törékeny az allotróp átalakulása miatt 104 Szigetelők • olyan anyag, amiben az elektromos feszültség hatására nem vagy csak alig folyik áram • a szigetelés oka • kevés a töltéshordozók száma: Cu 1028 m-3 Ge 1019 m-3, gyémánt 109 m-3 • a tiltott sáv nagy mérete, 5 eV (810-18 J) • csillám, üveg,

porcelán – papír, textil, fa • tipikusan a kovalens és az ionos vegyületek jó szigetelők, mivel erősen megkötik az elektronokat • szennyezők rontják a szigetelő hatást 105 Szigetelők • szigetelők jellemzése: • dielektromos állandó • veszteségi tényező • átütési szilárdság • az anyag szerkezetének függvényei, mivel az a külső erőtér hatására megváltozik • szerkezeti változás: pozitív negatív töltések helyének változása 106 Szigetelők • relatív dielektromos állandó / relatív permittivitás: megadja, hogy egy párhuzamos fegyverzetű kondenzátor kapacitása hányszorosára nő, ha vákuum helyet az adott anyagot használjuk • viszonyszám, dimenziónélküli mennyiség • függ a hőmérséklettől és a frekvenciától 107 Szigetelők • veszteségi tényező: az a  szögérték, ami megadja, hogy váltakozó áram esetén a kondenzátoron átfolyó áram milyen szöget zár be az ideális,

veszteségnélküli kondenzátor áram vektorával • általában kicsi, tg  = 0,1 108 Szigetelők • átütési szilárdság: az a térerősség, aminél a szigetelő anyag vezetőképessége rendkívül nagymértékben megnő • általában szerkezeti károsodással jár szilárd szigetelők esetében • nehéz meghatározni, nagymértékben függ a mérés körülményeitől • a nagy térerősség miatt a vezetési sávban lévő néhány elektron felgyorsul, ütközéssel újabb elektronokat löknek ki a kötésből • szigetelő felmelegszik, megolvad 109