UTKAST TILL INLEDNING
2000-11-24 - --
Leif Andersson
Henriksbergsvägen 104
136 67 HANINGE
Tel 08/777 45 33
e-post leif.andersson@haninge.mail.telia.com
Hemsidor http://go.to/lean1
http://come.to/lean
Den hydrauliska eller pneumatiska
MOS-transistorn
Den elektriska dioden
=====================
Elektrisk ström i en halvledare är en ström av negativt laddade
elektroner eller positivt laddade hål.Ett hål är frånvaro av en
elektron där det borde finnas en för att balansera atomkärnornas
positiva laddning.Frånvaro av en negativ laddning uppför sig som
en positiv laddning.
Ett rent halvledarmaterial,t ex germanium,kisel eller galliumarsenid,
har få fria laddningsbärare d v s få fria elektroner eller hål.Det
är alltså svårt att åstadkomma en ström genom ett sådant material.
Resistansen hos ett stycke av ett sådant rent material blir hög.
Genom att tillföra små mängder av ett störämne,s k dopning,kan man
öka antalet fria laddningsbärare.Beroende på vilket störämne man
tillför får man ökning av antalet fria elektroner eller ökning av
antalet fria hål.Ett material med många fria elektroner kallas för
ett n-dopat material och ett material med många fria hål kallas
ett p-dopat material.
Fig 1
Observera att det är fråga om fria laddningar.I materialet
finns även bundna laddningar som medför att materialet som helhet
blir elektriskt neutralt.
Om man lägger ett stycke p-dopat material mot ett stycke n-dopat
material får man en pn-övergång.
Fig 2
Ansluter man en pn-övergång till en elektrisk spänning enligt fig 2
får man ett elektriskt fält vid övergången som drar bort laddnings-
bärarna från övergången.De negativa elektronerna (blå) dras mot den
positiva anslutningen och de positiva hålen (röda) dras mot den
negativa anslutningen.Övergången utarmas på laddningsbärare och
mycket få laddningsbärare kan passera övergången.Vi har fått en
diod som spärrar ström i den riktningen.Dioden leder alltså inte
ström i ena riktningen,den så kallade backriktningen.
Strömmen i backriktningen blir,för vanliga dioder,mycket liten.Den
lilla ström som trots allt flyter beror på att det i n-materialet
finns enstaka fria hål och i p-materialet enstaka fria elektroner
(s k minoritetsbärare).Dessa dras av det elektriska fältet mot
övergången där de möts och rekombinerar d v s elektronen fyller ut
hålet.P-materialet har nu förlorat en elektron som återstålls av
anslutningsledningen.N-materialet har förlorat ett hål som återställs
genom att anslutningsledningen tar upp en elektron och lämnar efter
sig ett hål.
Fig 3
Vänder man anslutningen får man däremot ett elektriskt fält som för
de fria laddningsbärarna mot övergången.Det innebär att det blir gott
om fria laddningsbärare vid övergången,laddningsbärare som lätt kan
passera övergången och alltså ge en laddningsbärarström över den.Dioden
leder alltså ström i denna riktning,den så kallade framriktningen.
![]()
Fig 4
För att dioden skall börja leda i framriktningen måste spänningen över
den vara tillräckligt hög (det s k framspänningsfallet).För kiseldioder
ligger framspänningsfallet kring 0,7 V.
Dioden är alltså en backventil för elektrisk ström som spärrar i back-
riktningen genom att det bildas ett område där det finns få energibärare
(fria elektroner eller hål).
MOS-transistorn
===============
I ett p-dopat material dopar man in två n-dopade öar enligt fig 5.Den
ena ön kallas för Source och den andra för Drain.Source och Drain förses
med anslutningsledningar varefter materialet täcks med ett isolerande
skikt.Om man använder kisel kan man helt enkelt låta kiselytan oxidera
så att man får ett isolerande kiseloxidskikt.Utanpå detta isolerskikt
lägger man,mellan Source och Drain en elektrod som kallas Gate.
![]()
Fig 5
Om man nu lägger på en spänning mellan Source och Drain så att Drain
blir positiv i förhållande till Source kommer pn-övergången runt
Drain-ön att bli en diod i backriktningen.Komponenten blir,praktiskt
taget,oledande.
Om man så lägger på en spänning mellan Source och Gate så att Gate
blir positiv flyter ingen ström genom Gate.Gate är ju isolerad från
resten av komponenten med oxidskiktet.Men den positiva spänningen
på Gate ger ett elektriskt fält som drar energibärare (i detta fall
elektroner) mot Gate d v s in i området mellan Source och Drain (den
s k kanalen).Mängden elektroner på p-sidan av pn-övergången runt
Drain-ön ökar.Dioden runt Drain-ön börjar läcka.
Genom att lägga spänning på Gate kan vi alltså ändra ledningsförmågan
hos MOS-transistorn.
Om tecken och riktningar
========================
Elektrisk ström i en metalledning är ett flöde av negativt laddade
elektroner.Födet av energibärare går alltså från minuspol till
pluspol.
Trots detta anger vi strömriktning från plus till minus vilket beror
på att man definierade strömriktning på den tid när man ännu inte
viste vad elektroner var.Men man kände till elektrolys och visste att
om man stoppade ner två elektroder i en lösning av ett metallsalt så
avsatte sig metall på den negativa elektroden.Metallen i lösningen
gick alltså mot den negativa elektroden.Något (metalljonerna) gick
tydligen mot den negativa elektroden och då låg det nära till hands
att anse att strömmen gick mot minuspolen.
Men i princip kallar vi den pol som drar till sig energibärarna för
pulspol.
Inom hydraulik och pneumatik är energibärarna molekyler.Om vi även här
skall kalla den pol som drar till sig energibärare för pluspol skall
vi alltså kalla lågtrycksidan för pluspol.Jag medger att det känns
lite bakvänt på samma sätt som den elektriska strömmens riktning känns
bakvänd men för det fortsatta resonemanget är detta sätt att ange
trycknivåer lämpligt och jag använder alltså följande tecken:
el hydraulik/pneumatik
plus den pol som drar till den sida som drar till sig
sig elektroner molekyler (lågtryckssidan)
minus den pol som avger den sida som avger
elektroner molekyler (högtryckssidan)
Den hydrauliska/pneumatiska "dioden" (backventilen)
===================================================
Inom ellära är spänning intensiv storhet och laddning mängdstorhet.
Energibärare är enhetsladdningar (fria elektroner eller hål) och laddning
är antalet fria enhetsladdningar.Ström är energibärarflöde d v s antal
enhetsladdningar per sekund.
Inom Hydraulik/pneumatik är tryckskillnad intensiv storhet och volym
mängdstorhet.För pneumatik tillkommer egenskapen att mediet är
kompressibelt vilket komplicerar resonemanget och jag kommer därför i
fortsättningen att hålla mig till hydraulik med inkompressibelt
medium.Det mesta kan direkt tillämpas inom pneumatik och det är
faktiskt ofta lättare att arbeta med tryckluft än med vatten eller
hydraulolja.
Inom hydraulik är energibärarna fria molekyler d v s vätskemolekyler.
Volym är antalet vätskemolekyler.Vätskeflöde är energibärarflöde d v s
antal vätskemolekyler per sekund.
I ett fast material är inte molekylerna fria att röra sig som i en
vätska eller i en gas.Med hjälp av ett fast material kan vi alltså
skapa ett område som saknar energibärare.Fasta material är alltså
hydraulikens motsvarighet till ellärans isolermaterial.
Om vi i vätskebanan kan lägga in ett stycke fast material som när
flödet går i ena riktningen blockerar flödesbanan kan vi skapa ett
område som saknar fria energibärare och som alltså bryter flödet.
![]()
Fig 6
Fortsättning följer!
___________________________________
-----------------------
Åter till hemsidan