Kezdőlap


Cím:	Félvezetők és automatizálás I.
Szerző(k):	Kovács László
Füzet:	1969/szeptember, 34 - 38. oldal	PDF \| MathML
Témakör(ök):	Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Korunkban az automatizálás egyre nagyobb szerepet játszik a tudományos kutató munka különböző területein, az ipari termelésben és mindennapi életünk kényelmesebbé tételében is. Gondoljunk csak egy hold-szonda működésére, a gyárak automata gépsoraira vagy a hőszabályozós villanyvasalóra. A felsorolt példákban ‐ a külső körülmények mérlegelése alapján, illetve egy előre meghatározott programnak megfelelően ‐ a gépek emberi beavatkozás nélkül végzik el a szükséges feladatokat. Ilyen esetekben, amikor az embert még a gépek irányításából is kikapcsoljuk, automatizálásról, illetve szaknyelven irányítástechnikáról beszélünk.
Az irányítástechnika fejlődését nagy mértékben segíti a félvezető elemek használata. Fontos követelmény ugyanis, hogy a gépek munkáját összehangoló berendezés kis méretű, hosszú életű és kis energiafogyasztású legyen. Ezen követelményeknek a különböző félvezető elemek jól megfelelnek.
Felépítésüket tekintve egyes félvezetők csak bizonyos adott tulajdonságú, azonos módon kialakított kristályokat tartalmaznak, azaz csak $n$ , illetve $p$ típusú rétegből állanak.
Ezeket egyszerű félvezető elemeknek nevezzük (termisztor, fényellenállás, hallotron). Más félvezető elemekben viszont különböző módon kialakított, egymástól eltérő összetételű rétegeket találunk. Az ilyen típusúakat nevezzük összetett félvezető elemeknek (kristálydiódák, tranzisztor). A továbbiakban a gimnáziumi IV. osztályos tankönyv ,,Elektromos áram félvezetőkben'' c. fejezetét ismertnek tételezzük fel. A germániumkristály vezetésére vonatkozó részt csak néhány számszerű adattal egészítjük ki.
A Ge-ban szobahőmérsékleten a felvett hőmennyiség ${cm}^{3}$ -enként $10^{13}$ nagyságrendű elektron részére biztosítja az atomok közvétlen erőteréből való kilépést és a rácspontok közötti térben történő hőmozgást. Elektromos vezetés szempontjából ennyi töltéshordozó a fémek ${cm}^{3}$ -enként $10^{22}$ nagyságrendű szabad elektronjához képest nagyon kevésnek mondható.
A tapasztalat azt mutatja, hogy ha a tiszta alapanyagba kis mennyiségű szennyezett atomot építünk be, akkor a vezetés több nagyságrenddel megnövekszik. Germánium alapanyag esetén, ha ${cm}^{3}$ -enként az ott levő $4, 4 \cdot 10^{22}$ számú atomhoz pl. $10^{15}$ arzén atomot adunk, akkor $10^{15}$ szabad elektron jelenik meg a germánium minden ${cm}^{3}$ -ében.
Ezt úgy értelmezhetjük, hogy a germánium kristályrácsába beépült arzén atomok a sajátos elrendezés folytán egy-egy olyan elektronnal rendelkeznek, melyek könnyen kikerülnek az atomok közvetlen erőteréből, azaz nagyon kicsi az aktiválási energiájuk. A tiszta germániummal ellentétben itt nem marad lyuk a kilépett elektron helyén. Az elektron helyén maradó pozitív töltés kötve marad az arzén atomhoz. Így az arzénnal szennyezett $n$ típusú germániumban 4‐5 nagyságrenddel több a szabad elektron, mint a lyuk.
Elvileg a szennyezés teljes mértékben megszüntethetné a lyukakat, hisz a szabad elektronok beléphetnek a meglevő lyukakba. A hőmozgás miatt azonban mindig marad bizonyos számú lyuk. Számukat nem összeadással, hanem a szorzat-törvény alapján határozhatjuk meg:

\begin{matrix} n_{p} \cdot n_{n} = n_{i}^{2}, \end{matrix}

ahol

n_{i}

az intrinsic szám, a tiszta félvezetőben adott hőmérsékleten keletkezett töltéshordozó párok száma,

n_{n}

a szabad elektronok száma,

n_{p}

pedig a lyukak száma. Tiszta félvezető esetén

\begin{matrix} n_{n} = n_{p} = n_{i} . \end{matrix}

A jelenleg tárgyalt esetben szobahőmérsékleten közelítőleg

2, 5 \cdot 10^{13} / {cm}^{3}

n_{i}

értéke. Így

n_{n} = 10^{15} / {cm}^{3}

esetén

n_{p}

-re

6 \cdot 10^{11} / {cm}^{3}

értéket kapunk.
Ennek alapján egy szennyezett rétegben megkülönböztethetünk többségi és kisebbségi töltéshordozókat. Az

n

típusú germánium rétegben az elektronok a többségi töltéshordozók.

Egyszerű félvezető elemek. A termisztor

Tapasztalati törvény, hogy a félvezetőkben a hőmérséklet növelésével a szabad töltéshordozók száma rohamosan növekszik, ami az elektromos áram exponenciális növekedését eredményezi.
Magasabb hőmérsékleten az egyes atomok, illetve ionok is elmozdulnak a rácspontokból, és ezáltal irreverzibilis folyamatok indulnak meg. A félvezetők gyakorlati felhasználásának fő korlátja tehát a környezet hőmérséklete.

- 200^{\circ}

C hőmérsékleten nagyon kevés töltéshordozó áll rendelkezésre,

+ 150^{\circ}

C körül pedig alapvetően megváltoznak a vezetési tulajdonságok. (Természetesen a hőmérsékleti határok alapanyagonként változnak.) Ezen túlmenően az adott határokon belüli hőmérsékletváltozás is komoly hátrányt jelent, hisz egy elektromos berendezés valamely áramköri elrendezésénél a vezetőképesség megváltozása károsan befolyásolja a berendezés működését. Ugyanakkor nagyon sok esetben szükség van a hőmérséklet megváltozásának észlelésére, illetve a változás mértékének pontos meghatározására (fizikai mérések, szárító kemencék, az emberi test hőmérsékletének megváltozása). A félvezetőknél tapasztalt hőmérsékleti hatás ‐ ha biztosítani tudjuk, hogy mindig azonos módon következzen be ‐ új hőmérséklet-mérési eljárást ad a kezünkbe. Az irányítástechnikai alkalmazás előtt is tág lehetőség nyílik. Egy adott rendszer hőmérsékletének konstans értéken tartásakor pl. nem kell egy munkásnak állandóan a hőmérőt figyelnie, hisz egy alkalmasan kialakított félvezető, a termisztor fáradhatatlanul és az embernél sokkal pontosabban elvégzi az észlelés feladatát.
Az automatizálás egyik ága a szabályozástechnika. Azok a feladatok tartoznak ide, ahol bizonyos fizikai mennyiségeket meghatározott, állandó értéken kell tartani. Ehhez elsősorban ‐ az adott folyamat teljes gépesítése mellett ‐ szükség van egy érzékelő elemre, mely méri a kérdéses fizikai mennyiség nagyságát, illetve alkalmas módon jelzi az előírt értéktől való eltérést. Hőmérséklet-szabályozási feladatok megoldásánál a termisztor azért is előnyös, mert egyben betölti a szabályozási rendszer következő láncszemének szerepét is, azaz jelátalakítóként is működik. A hőmérséklet változását ugyanis elektromos áram-, illetve feszültség-változássá alakítja, hisz a töltéshordozók számának megváltozása ‐ ha a termisztort áramkörbe iktatjuk ‐ áramerősség-változást idéz elő. A keletkező áramerősség-változást, ha szükséges, még felerősíthetjük, s így már alkalmas lesz egy tetszőleges kapcsolásokat elvégző jelfogó működtetésére.
A termisztorok fő alapanyagául szolgáló fémoxidok sokféle vezetési mechanizmusa közül a szabályozott vegyértékű anyagok vezetését vizsgáljuk meg részletesebben. A kémiai kötés, a vegyérték pontos értelmezését az atomfizika elmélete, a kvantummechanika írja le. Mi a vezetés értelmezésében a szokásos kémiai fogalmakat alkalmazzuk. A fémoxidok az illető anyagra jellemző, a térben adott elrendezésű pozitív fémionokból és negatív oxigénionokból állnak. A tiszta fémoxidok saját vezetése nem elegendő az áramköri alkalmazásokhoz. A vezetést csak szennyező ionok bevitelével fokozhatjuk nagy mértékben. Például ha NiO-hoz kis mennyiségű

Li_{2}O

-t adunk, akkor ennek hatására annyi

{Ni}^{3 +}

-ion keletkezik, amennyi

{Li}^{+}

-iont beépítettünk. Az ionrács kifelé továbbra is semleges, azonban a

{Ni}^{3 +}

-ionok megjelenése nagy mértékben megnöveli a nikkeloxid vezetését. Minden egyes

{Ni}^{3 +}

-ion egy-egy lyukat képvisel, és a kristállyal közölt hőmennyiség hatására a két vegyértékű nikkel-ionokról az elektronok könnyen átjuthatnak ezekbe a lyukakba. Ez az elektron-átjutás akkor következhet be, ha a fémionok könnyen tudják változtatni a vegyértéküket. Ilyen tulajdonságúak az ún. átmeneti fémek, melyek a Mengyelejev-féle periódusos rendszerben a 21-től a 30. rendszámig helyezkednek el. A kristállyal közölt aktiválási energia a fémoxidoknál arra szolgál, hogy biztosítsa az elektron részére a különböző vegyértékű ionok energiaszintjei közt fennálló különbség leküzdését. A

Li_{2}O

szennyezés alkalmazása azért célravezető, mert a

{Li}^{+}

-ion vegyértéke állandó és a

{Ni}^{2 +}

-ion vegyértékénél alacsonyabb. Így a beépült

{Li}^{+}

-ion nem képes a szomszédos

O^{2 -}

-ionok vegyértékének lekötésére, tehát lehetőség nyílik a

{Ni}^{3 +}

-ionok kialakulására. Könnyen belátható, hogy a

Li_{2}O

molekulák beépítése ‐ a rácsszerkezet megbontása nélkül ‐ csak oxidáló atmoszférában lehetséges.
A fizikai alapok áttekintése után foglalkozzunk a termisztor tulajdonságaival. Mint említettük, a termisztor működésének lényege, hogy hőmérsékletének változásával együtt változik elektromos ellenállása is. A fémek hasonló jellegű viselkedésével ellentétben azonban ez a változás éppen ellentétes értelmű és általában egy nagyságrenddel nagyobb értékű (1. ábra).

1. ábra

A termisztor ellenállásának értelmezésekor megkülönböztetünk sztatikus és dinamikus ellenállást. Ha felvesszük egy termisztor feszültség ‐ áram karakterisztikáját, akkor a 2. ábrán látható görbét kapjuk.

2. ábra

Itt az egyes pontokhoz tartozó feszültség-és áramértékek hányadosa megadja a sztatikus ellenállást. A görbe minden pontjához más-más termisztor-hőmérséklet tartozik. Az átfolyó áram ugyanis felmelegíti a termisztort, mert az a felszabadult hőmennyiséget nem tudja környezetének átadni. A 2. ábrán feltüntetett hőmérséklet-értékek az állandónak vett környezeti hőmérséklettől való eltérést mutatják. A görbe jellegzetes menetét az ellenállás megváltozásával tudjuk magyarázni. A termisztorban keletkezett hőmennyiség ugyanis olyan nagy értékű ellenálláscsökkenést idéz elő, hogy még a növekvő áramerősség ellenére is csökken a termisztoron eső feszültség.
Ha a környezet hőmérséklete változik, akkor a termisztor az őt körülvevő közegből felvett hőmennyiség hatására változtatja meg ellenállását. Így a hőmérsékletmérést ellenállásmérésre vezethetjük vissza. A pontosság fokozására általában hídkapcsolást alkalmazunk (3. ábra).

3. ábra

Ha a mérőhíd egyensúlya megbomlik, azt az

R_{x}

ellenállással állítjuk vissza. Az

R_{x}

változtatható ellenállást azonnal hőmérsékletre kalibrálhatjuk. Az ilyen jellegű kapcsolásokban olyan kis teljesítményt alkalmaznak, hogy a mérőáram melegítő hatásától általában eltekinthetünk.
A hőmérséklet mérésére kialakított termisztorok

{mm}^{3}

nagyságrendűek, így nagyon kicsi a hőtehetetlenségük, tehát a hőmérséklet-változásokat azonnal követni tudják. A fémhőmérőkkel szemben további előny még a nagyobb érzékenység és a több

k Ω

-os ellenállás, ami hosszú csatlakozó vezetékek alkalmazását teszi lehetővé. így a hőmérsékletváltozást az adott helytől nagy távolságról is figyelhetik.
Amikor a termisztor és környezete között hőegyensúlyi állapot van, akkor a termisztoron átfolyó áram hatására keletkező teljesítmény állandó. Ezt az egyensúlyi állapotot nemcsak a környezet hőmérsékletének a megváltozása bonthatja meg. Ha megváltozik pl. a termisztort körülvevő gáz nyomása vagy áramlási sebessége, akkor változni fog a leadott teljesítmény is, tehát megváltoznak a termisztor sztatikus jellemzői. Így a gáz nyomásának, illetve áramlási sebességének mérését visszavezethetjük elektromos mennyiségek mérésére. A 4. ábra a mérő termisztoron fellépő feszültségváltozást mutatja a közeg áramlási sebességének függvényében, állandó telepfeszültség esetén.

4. ábra

Kis hőkapacitású és nagy felületű termisztorok alkalmazása esetén a termisztor szinte tehetetlenségmentesen követi a közeg változásait. A térfogat megnövelése és a felület minimálisra csökkentése esetén viszont a termisztor hőtehetetlensége jelentős mértékben megnő. Ekkor a környezet változásait csak bizonyos idő eltelte után képes érzékelni. A vezérléstechnikában ‐ az automatizálás másik ágában ‐ sok esetben szükség van olyan kapcsolásokra, amelyeknél egy folyamatot egy megelőző folyamathoz képest bizonyos időtartammal késleltetni kell. Az ilyen kapcsolásokat időreléknek nevezzük. A legismertebb időrelé a lépcsőházi világítást vezérlő kapcsolás.
Azt a hatást, hogy a jelfogó a bekapcsolás után egy bizonyos idő eltelte után elengedjen, egy ‐ a jelfogóval párhuzamosan kapcsolt ‐ termisztorral is elérhetjük (5. ábra).

5. ábra

Bizonyos idő elteltével az átfolyó áram hatására annyira lecsökken a termisztor ellenállása, hogy söntöli a jelfogót, azaz gyakorlatilag a kör árama a termisztoron folyik át, tehát a jelfogó elenged.
A fokozatos felmelegedést, illetve az ennek a hatására bekövetkező nagy ellenállás csökkenést különböző túláramvédelmi berendezéseknél is hasznosíthatják (elektroncsövek fűtőszálát, villamos motorok tekercseit védik a bekapcsoláskor fellépő túláram ellen):
A 2. ábra karakterisztikájában egy adott pont körüli kicsiny feszültség változás és a hozzátartozó áramváltozás hányadosa (pontosabban a függvény differenciálhányadosa) megadja a termisztor egy adott

I_{0}

U_{0}

értéke melletti dinamikus ellenállásának értékét:

\begin{matrix} r = \frac{Δ U}{Δ I} . \end{matrix}

A görbe legnagyobb részén a dinamikus ellenállásra negatív értéket kapunk. Ez lehetővé teszi a termisztorok rezgéskeltőkben történő alkalmazását. A negatív ellenállás és a rezgéskeltés lehetősége közti kapcsolat megértésének alátámasztására mechanikai analógiára hivatkozunk. Ha egy rugó rezgése esetén fellépő rúgóerőt a kitérés függvényében ábrázoljuk, ugyancsak negatív iránytangensű ,,görbét'' kapunk, hisz pozitív értelmű elmozduláshoz csökkenő abszolút értékű pozitív előjelű erő, illetve növekvő abszolút értékű, negatív értelmű erő tartozik (6. ábra

A

és

B

pont).

6. ábra