Nem is véletlen ez. Ugyanis a félvezető eszközök – köztük a tranzisztor – működésének megértéséhez a kvantumfizika és -kémia olyan szintű, értő ismerete szükséges, ami aligha várható el az emberek többségétől.

A félvezető eszközök működését alapvetően háromféle módon szokták ismertetni. Az egyik, hogy olyan módon csupaszítják le az elméletet, hogy az ugyan szemléletes, csak nem igaz. A másik, hogy némiképp belekavarnak a kvantummechanikába, aminek következtében ugyan továbbra is csacskaságokkal fertőzik az érdeklődő elmét, viszont a dolog máris zavarossá válik. A harmadik az a tömény felsőfokú matek és fizika, ami tényleg csak a jól képzett szakembereknek szól, bár olykor van olyan érzésem, hogy a szerzők sem teljesen mozognak otthonosan ebben a világban.

Ugyanakkor, ha a félvezető alkatrészekkel készíthető alapáramkörök bonyolultak lettek volna, sosem terjedtek volna el. Éppen az az előnyük, hogy pl. egy tranzisztoros erősítő alig több alkatrészből áll, mint egy csöves. Viszont jóval kisebb az étvágya, és hacsak szándékosan nem rontják el, hosszabb ideig is működik.

Az alapvető gond nem az, hogy a félvezető eszközök működése annyira bonyolult, hanem az, hogy a fizikai-kémiai anyag valódi szerkezetének leírását nem lehet érzékletessé tenni, ha nem akarunk lódítani. Az atommag nem valamiféle drazsé, ami körül szabályos pályákon picike elektrongolyócskák keringenek – az atom szerkezete nem olyan, mint a naprendszer.

A különböző atommodellekkel játszani is lehet, ha van Java a gépeden.

https://phet.colorado.edu/hu/simulation/legacy/hydrogen-atom

Ha nincs, letöltheted és telepítsd!

https://www.java.com/en/

Nem újdonság a számodra sem, hogy egy-egy atom az atommagból és elektronokból épül fel. Az atommag protonokból (jele: p+) és neutronokból (jele: n0) áll. A proton pozitív töltésű, a neutron semleges. Tömegük jó közelítéssel megegyezik egymással.

Az atommag körül elektronfelhőt alkotva találhatók az elektronok. Az elektron (jele: e-) töltése ugyanakkora negatív töltés, mint amekkora a proton pozitív töltése, és mintegy 1840-szer kisebb tömegű, mint a proton, illetve a neutron. Az atom alapállapotban semleges, tehát ugyanannyi protont tartalmaz, mint ahány elektront.

Mai tudásunk szerint az elektronok nem kör vagy ellipszis alakú pályán keringenek. Az atomban adott helyen az elektronnak csupán a megtalálási valószínűségét adhatjuk meg. Az atomnak azt a részét, amelyben az elektron legalább 90%-os valószínűséggel megtalálható, az elektron atompályájának nevezzük. Az elektronok energiahordozók is, az atompályákon megmutatkozó energiát energiaszintnek hívják. Az elektronnak hullámra és részecskére jellemző tulajdonságai is vannak.

Az elektron atompályáin csak meghatározott számú elektronok lehetnek. Számunkra csak az atommagtól legmesszebbre levő pálya érdekes, mert itt vannak (itt lehetnek) azok az elektronok, amelyekkel az egyik atom a másikhoz kapcsolódhat. Sőt, e szélső pályáról az elektronok le is szakadhatnak, ha az atommag gyengén tartja őket.

Az atomok szilárd állapotban valamilyen szerkezetet alkotnak. Ez a szerkezet többféle is lehet még akkor is, ha ugyanolyan atomokból épül föl a cucc. Jó példa erre a szén, amelynek sok módosulata is van: a gyémánt, a grafit és az 1985-ben fölfedezett fullerének. A gyémánt tetraéderes, a grafit réteges szerkezetű.

A csak mesterségesen előállítható fullerénekkel nem foglalkozunk, a gyémánttal és a grafittal is csak annyiban, hogy a gyémánt szinte egyáltalán nem vezeti az áramot, vagyis szigetelő, mert a külső pályán levő elektronok erősen kapaszkodnak egymás atomjainak elektronjaiba. A grafit viszont jó vezető, mert az egyes rétegek külső pályán levő elektronjait könnyű elmozdítani.

Nem győzöm ismételni, hogy szó nincs pálcikákról és golyócskákról, ezek csupán gyarló szemléltetések.

Arra, hogy mitől is függ a vezetőképesség a szilárd anyagokban, a kvantummechanika energiasáv elmélete ad magyarázatot. Egészen földszintesen mesélve arról van szó, hogy ahogy az egyes atomokat egymáshoz közelítjük, a kristályos szilárd anyagban az egyes atomtörzsek elektronfelhőinek átfedése hatására az elektron-energiaszintek sávokká szélesednek ki.

Három sáv alakul ki: a vegyérték sáv, a vezetési sáv és a sávokat elválasztó tiltott sáv.

A tiltott sávban nem lehet elektron. A vegyértéksáv be van töltve elektronokkal, így itt sem jöhet létre vezetés. A vezetési sávba került elektronok a külső tér hatására szabadon elmozdulhatnak; folyhat az elektromos áram.

Ahhoz, hogy az elektronok a vegyértéksávból a vezetési sávba juthassanak, akkora energiával kell rendelkezniük, amely elég a tiltott sáv átugrásához. A szigetelők esetében a tiltott sáv olyan nagy, hogy ha megfeszülünk, akkor sem tudjuk rávenni az elektront, hogy a vezető sávba pattanjon.

Ez azonban jó is, mert biztosak lehetünk abban, hogy ha egy, a hálózati feszültséget vezető drótot szigetelővel veszünk körül, akkor nem vág agyon az áram.

A félvezetők már engedékenyebbek. A tiltott sáv keskenyebb, tehát ha ügyesen udvarolunk, melegítjük vagy megvilágítjuk az anyagot, akkor képesek vezetővé válni, gyorsan megadják magukat és csökken az ellenállásuk.

Azt a félvezető alkatrészt, amelynek az ellenállása a hőmérséklet hatására csökken, termisztornak hívjuk. Termisztorral védik pl. a laptopok akkumulátorát a túlmelegedés ellen.

Azt a félvezető alkatrészt, aminek a fény hatására csökken az ellenállása, fotoellenállásnak, fényelemnek hívjuk. A régebbi, szelén alapú fényelemeket a fotósokat segítő fénymérőkben használták.

A vezetők esetében a vegyérték sáv és a vezetési sáv között nagyon kicsi a tiltott sáv; gyakran át is fedi egymást a legalsó betöltetlen és a legfelső betöltött sáv, így az elektronok könnyen kerülnek a vezetési sávba. A fémek tipikusan ilyen ledér vezetők.

A fémek ellenállása azonban – ellentétben a félvezetőkével – növekszik, ha a hőmérsékletük nő.

Mivel már biztosan van Javád, érdemes kicsit a vezetőképességgel is játszani.

https://phet.colorado.edu/hu/simulation/legacy/conductivity

Állítsd a telep feszültségét 2 voltra, és indulhat is a móka!

Néhány anyag fajlagos ellenállását tartalmazza a táblázat 20 C⁰-n.

A két véglet – 10-8 és 1017 között – 25 nagyságrendnyi, vagyis 10000000000000000000000000-szoros az arány. A félvezetők 5-8 nagyságrenddel rosszabbul vezetnek, mint a jó vezetők, és 13-16 nagyságrenddel jobban, mint a szigetelők.

A részecskék fizikájában, illetve a csillagászatban az energiát elektronvoltban (eV) mérik. Az elektronvolt tehát nem feszültségegység. Egy elektronvolt az az energia, amennyivel az elektron energiája 1 volt potenciálkülönbség, feszültség hatására növekedik.

Az egyes energiasávok szélességét is eV-ban adják meg. Így mondható meg, hogy mekkora többletenergiát kell pumpálni az elektronba, hogy a vegyérték sávból a vezetési sávba tudjon ugrani. A szigetelők tiltott sávja 3-5 eV, a félvezetőké 0,2-2eV, a vezetőké értelemszerűen 0eV.

Nagyon hidegben, 0 Kelvint megközelítve, a félvezetők is szigetelőkké válnak, ezért ha a világűrben egy űrállomáson diszkózol vagy koncertkörúton vagy, gondoskodnod kell a félvezetők szobahőmérsékleten tartásáról.