A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
A félvezetők fizikájában a kiürített tartomány, más nevén kiürített réteg egy dópolt félvezető anyag belsejében létrejövő szigetelő tulajdonságú réteget jelent, melyből a szabad töltéshordozók diffúzió vagy elektromos mező hatására távoztak.
A 'kiürített tartomány' elnevezés azon alapul, hogy egy elektromos áram vezetésére képes anyagban a szabad töltéshordozók eltávolításával, a réteg kiürítésével hozhatunk létre ilyen tartományt. A kiürült térrészben csupán az ionizált donor vagy akceptor szennyezők maradnak vissza. A kiürített tartomány jelenségeinek és tulajdonságainak feltárása vezet el bennünket a félvezető eszközök modern alkalmazásaihoz: a diódák, a félvezető tranzisztorok és a varikap diódák működése is a kiürített tartomány jelenségén alapul.
Létrejötte p–n átmenetben
A p-n átmenetben, azaz egymással kapcsolatba hozott p típusú és n típusú félvezetők határfelületén a kiürített tartomány azonnal létrejön. A jelenség legegyszerűbben termikus egyensúlyban, vagy nyugalmi állapotban írható le: a rendszer makroszkopikus jellemzői ekkor időben változatlanok, a rendszer dinamikus egyensúlyban van.[1][2]
A félvezetőben található töltéshordozók (elektronok és lyukak) koncentrációját két hatás befolyásolja. Az elektronok és lyukak diffúzió útján a kisebb koncentrációjú helyek irányába áramlanak hasonlóan ahhoz, ahogy a vízben egy csepp tinta szétterjed, míg teljesen el nem oszlik. P–n átmenetnek egy p típusú (lyukakban gazdag) és egy n típusú (elektronokban gazdag) félvezető találkozási határfelületét nevezzük. Az N-oldal elektronjai az átmenet létrehozásakor a P-oldal kisebb elektronkoncentrációja felé kezdenek terjedni, míg a P-oldali lyukakra ellentétes irányú diffúzió lesz jellemző.
Az eredetileg semleges töltésű anyagokban a töltések elmozdulása elektromos térerősséget gerjeszt. Az N-oldalon az elektronok koncentrációjának csökkenése és a lyukak koncentrációjának növekedése miatt pozitív, a P-oldalon hasonlóképpen negatív töltés alakul ki. Ez a töltéskülönbség a hajtóereje a töltéshordozók koncentrációját megszabó másik hatásnak, a driftáramnak. A létrejött elektromos tér az elektronokat a P-oldalról az N-oldal felé vonzza, míg a lyukakat az N-oldalról P-oldal felé mozdítja. A elektronok és lyukak driftárama éppen ellentétes ezek diffúziójának irányával. A két hatás dinamikus egyensúlya alakítja ki az anyag töltéshordozó-koncentrációját és alakítja ki a kiürített tartományt.
A kiürített tartomány mérete a p és n oldalakra kapcsolt feszültséggel befolyásolható.
- Ha az N-oldalra a P-hez képest pozitív feszültséget alkalmazunk, a töltések diffúziójából eredő elektromos feszültség lecsökken, így a driftáram kisebb lesz. Az elektronok és a lyukak mélyebbre hatolnak diffúzióval az ellentétes dópolási polaritású oldalon, a driftáram lecsökken. A kiürített tartomány kiszélesedik és az átmeneten csak kis áramerősség tapasztalható az előfeszítés hatására. Ekkor záróirányú előfeszítésről beszélünk.
- Ha ezzel ellentétes előfeszítést alkalmazunk (azaz az N-oldal negatív a P-oldalhoz képest), akkor a töltések diffúziójából eredő feszültség megnő, az anyagban a driftáram fog dominálni. Az elektronok és a lyukak nem tudnak nagyon eltávolodni a donor és akceptor iontörzsektől. A kiürített tartomány szélessége lecsökken és az átmeneten nagyobb áram haladhat át az előfeszítés hatására. Ezt nevezzük nyitóirányú előfeszítésnek.
Létrejötte MOS struktúrában
Egy másik példa a kiürített tartomány jelenségén alapuló eszközre a MOSFET, melynek egy megvalósítása p típusú hordozóval a jobb oldali ábrán látható. Tegyük fel, hogy az eszköz p típusú tartománya eredetileg teljesen semleges töltésű, benne a lyukak pozitív töltése és az akceptorszerű szennyezők negatív töltése épp semlegesíti egymást. Ha a készülék kapuelektródáira pozitív töltést juttatunk, a létrejövő pozitív feszültség eltaszítja a lyukakat a félvezetőnek abból a tartományából, mely a kapuelektródához közel esik. A töltések az ábrán alul látható elektródán át távoznak és egy kiürített tartományt hagynak maguk után, mely mozgékony töltéshordozóban szegényebb, így szigetelő tulajdonságú. Ha a feszültséget növeljük, ez a tartomány kiszélesedik és egyre több lyuk távozik a félvezető anyagból.
A feszültség növelésével tehát növelhető a kiürített tartomány szélessége, azonban ennek határt szab az, hogy egy bizonyos feszültségnél inverziós réteg jelenik meg a félvezető anyag és a kapuelektróda közös felületén, mely a félvezető polaritásának megváltozását jelenti a felület kis környezetében, lehetővé téve az ellentétes töltések áramlását.
A kiürítés szélessége
A kiürített tartomány méretét általában egy dimenzióval jellemezhetjük, ugyanis gyakoriak az olyan alkalmazások, ahol rétegstruktúrában jön létre a kiürítés, így az elektromos transzport szempontjából csak a tartomány szélessége érdekes.
p-n átmenetben
A töltésmegmaradás értelmében egy semleges anyagban a töltések előjeles összege nulla. A félvezetőkben található töltésekre érvényes, hogy:
- ,
ahol n és p a szabad elektronok illetve lyukak száma, és pedig rendre az ionizált donorok és akceptorokat jelöli.
Jegyzetek
- ↑ Robert H. Bishop. The Mechatronics Handbook. CRC Press (2002). ISBN 0-8493-0066-5
- ↑ John E. Ayers. Digital Integrated Circuits: Analysis and Design. CRC Press (2003). ISBN 0-8493-1951-X
Fordítás
Ez a szócikk részben vagy egészben a Depletion region című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
Források
- Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.
- Sólyom, Jenő. Fundamentals of the Physics of Solids. Springer Berlin Heidelberg, 522. o.. DOI: 10.1007/978-3-540-72600-5 (2007). Hozzáférés ideje: 2017. május 19.
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.