Azelektromosság alapjai

Kezdhetném azzal, hogy az elektromos áram a szabad töltéshordozók rendezett áramlását jelenti. De mivel ez egy kezdő számára nem sokat jelent, így egy kicsit részletesebben, példákkal bemutatva próbálom leírni mi is maga az elektro-

mosság. Az anyagokat vezetőképességük szempontjából három fő csoportba oszthatjuk:

a vezetőkre, szigetelőkre és a mikroelektronikában létfontosságú félvezetőkre. Az hogy

egy anyag milyen mértékben képes vezetni az áramot attól függ,hogy mennyi szabad

töltéshordozóval, elektronnal rendelkezik. Az anyagok atomi felépítését bonyolultságuk

miatt nem részletezem, csak a fontos dolgokat írom le. Az atomoknak különböző fajta

energiaszintjei vannak. Ilyen a vezetési sáv alsó (Ec), a vegyértéksáv felső energiaszint-

je (Ev) és a fermi szint (Ef). A fémekben az Ef átlapol az Ev-be, ami azt teszi lehetővé,

hogy rengeteg elektron képes kiszakadni az atomok vonzásából és azok között mozogni,

így kicsi lesz az anyag ellenállása. A szigetelőkben már csak minimális elektron képes

az atomok között mozogni, így azok ellenállása nagy lesz. A félvezetők vezetését külön

taglalom.

Az elektromos áram három legfontosabb paraméterei az áramerősség, a feszültség és a vezető anyag ellenállása. Ezen három összetevő összefüggését a következő példán keresztül egyszerűen, és logikusan lehet megérteni. Adott egy 500kW teljesítményű mozdony amire 2000t össztehert kapcsolnak (az adatok nem lényegesek). A teher és a különböző menetellenállások (gördülés, légellenállás) olyanok mint az elektromos ellenállás, a mozdony vonóereje a feszültség. Az áramerősség a mozdony által elérhető maximum sebesség. Minél nagyobb a teher (ellenállás) annál kissebb sebességet (áramerősség) képes elérni. Ugyanez egy 4,5V-os elem és egy ellenállás esetében a következő: ha az ellenállás értéke 75 Ohm (mond: óm) akkor az I=U/R (I:áramerősség, R:ellenállás, U:feszültség) képletből megkapjuk, hogy a körben 0,06Amper, vagyis 60mA áram fog folyni. Ha 75 helyett 15 Ohm-os ellenállást teszünk be, I=0,3A lesz, vagyis ha kissebb az ellenállás értéke akkor a telep jobban le van terhelve. Az elektronika egyik alapegyenlete tehát ez:R=U/I. (Re az eredő ellenállás)

Alapvető követelmény, hogy az alkatrészek kapcsolási fajtáit felismerjük. Eszerint létezik: soros, párhuzamos és

vegyes kapcsolás. Soros kapcsolásnál az áramnak nincs csomópontja, elágazódása, így az áramkörben minden

alkatrészen ugyanakkora áramerősség fog megjelenni. A tápfeszültség az ellenállásértékek arányában fog meg-

oszlani. Rb a tápforrás belső ellenállása, ezen is esik feszültség. Ez Kirchof első törvénye a huroktörvény.

Párhuzamos kapcsolásnál az ellenállások egyik és másik oldali kivezetései egy-egy külön pontban vannak ösz-

szekötve, így az áramnak csomópontot, elágazódást képeznek. Itt az ellenállásokon eső feszültség azonos, az

Egyes ellenállásokon átfolyó áramerősség pedig az adott ellenállás nagyságával fordítottan arányos. Amennyi

áram befolyik az egyik csomóponton, annyi folyik ki a másikon. Ez Kirchof 2. törvénye, a csomóponti törvény.

Vegyes kapcsolásoknál a körben megtalálható a soros és a párhuzamos kapcsolás is. Ebben az esetben, ha az eredő ellenállást akarjuk kiszámítani, akkor a párhuzamosan kapcsolt ellenállások eredőjét kell előbb meghatározni, majd azt úgy kell használni, mint egy ellenállás értékét, és a vele sorosan kapcsolt tagok értékét hozzáadni. A számolás lényege az, hogy logikusan kell felépíteni a számítás menetét: mindig a párhuzamosan kötött tagokkal kell kezdeni és több értékből mindig egy (eredő) ellenállásértéket képezve kell egyszerűsíteni a kört.

Félvezetők vezetése

A félvezetők nélkül az elektronika közelében sem járhatna a mai formájának és mivel a működésük megértése elengedhetetlen még a hobbielektroniká-soknak is, ezért ezeket külön fejezetben ismertetem.

Azt hogy mi számít félvezetőnek, azt a korábbiakban már említett energiaszintek határozzák meg: alapvetően ha a vegyértéksáv és a vezetési sáv közti energiaszintkülönbség Eg 0.1 és 3 eV (mond: elektrovolt) között van, az anyag félvezetőnek számít. A legalapvetőbb félvezetőanyagaink a szilícium (Si) és a germánium (Ge). Mindkét anyagnak négy külső elektronja van, melyek a kristályrácsban mind kötést hoznak létre, így alaphelyzetben ezek az anyagok nem képesek áramot vezetni. Ezt úgy változtathatjuk meg, hogy a rácsszerkezetbe öt, vagy három vegyértékű atomokat juttatunk. Ezt hívják szennye-zésnek. Ha ört vegyértékelektronnal rendelkező atomokat juttatunk be a rácsba, akkor negatív, ha hárommal rendelkezőt akkor pozitív szennyezést hajtunk végre.

Negatív szennyezésnél az adalékatomok, donorok öt vegyértékelektronjából négy kötést hoz létre, míg az ötödik a rácsközi térbe kerül, így az képes elmozdulni létrehozva ezzel az áramvezetést. Ez a szennyezési mód a „negatív” elnevezést az elektrontöbblet által kialakuló negatív töltés miatt kapta. Pozitív szennyezésnél az adalékanyag, az akceptor elektronhiányt, lyukakat idéz elő, amelyek úgyszintén képesek az elmozdulásra, így vezetve az ára-mot. A két szennyezési mód ha atomi közelségbe kerül egymáshoz (ennek technológiája hosszas lépésekből épül fel) létrejön a PN átmenet, melynek legegyszerűbb felhasználása az egyenirányító diódák. Ezek az áramot csak egy irányba képesek vezetni, tehát polaritásfüggők. Bonyolultabb alkatrészek a tranzisztorok melyeknek felépítése többrétű. A legegyszerűbb a bipoláris tranzisztor, melyben három félvezető réteg van sorban. A két szélső réteg szennyezési módja mindig eltér a középsőtöl. Ezalapján vannak NPN és PNP tranzisztorok.

Napjainkban a germánium félvezetőket csak speciális helyeken használják, inkább a szilíciumalapú félvezetőket részesítik előnyben tisztasága, és bőséges utánpótlási lehetősége miatt. A szilíciumnak egyre többrétű a felhasználási köre: elektronikai felhasználásán kívül már a mechanikában is használják, például mikroszivattyúkban a vér viszgálatához, de ilyen a mikrofonok membránanyagaként való felhasználása is.