Конспект лекций
междисциплинарного курса МДК 03.01
профессионального модуля ПМ 03
«Выполнение работ по одной или нескольким профессиям»
«Основы электроники»
Специальность:230401 – Информационные
системы
2012г.
1 Основы зонной теории
Классификация твердых тел по проводимости
Все вещества состоят из атомов. Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц: протонов, электронов, нейтронов.
Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны – отрицательный, нейтроны – электрически нейтральны (их заряд равен нулю).
Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны.
Атом является электрически нейтральным (положительный заряд ядра нейтрализуется отрицательными зарядами электронов).
Каждой орбите соответствует определенная энергия: потенциальная и кинетическая. Потенциальная – за счет нахождения электрона на некотором расстоянии от ядра, кинетическая – за счет движения электрона.
На орбите электрон удерживается за счет силы притяжения к ядру. Чтобы удалить электрон от ядра, необходимо преодолеть их взаимное притяжение, т.е. затратить некоторую энергию. Поэтому электроны, находящиеся на внешних (более удаленных) орбитах, обладают большей энергией, чем электроны, находящиеся на внутренних орбитах.
, где
-
энергия
Электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов, называются валентными.
Они определяют химическую активность вещества – валентность (если на внешней орбите атома какого-то вещества находятся 4 валентных электрона, то это вещество является четырехвалентным).
При сообщении дополнительной энергии (тепловой, световой, радиационной и т.д.) валентные электроны могут покинуть свою орбиту.
Освободившиеся от внутриатомных связей электроны называются свободными.
При возникновении свободного электрона нарушается электрическая нейтральность атома – появляется положительный ион.
Процесс образования ионов называется ионизацией.
При отсутствии электрического поля свободные электроны движутся хаотически. При наличии электрического поля движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным – возникает электрический ток.
Электрический ток – это направленное движение носителей заряда (НЗ).
Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность, т.е. способность вещества проводить электрический ток.
По степени электропроводности твердые тела делятся на: проводники, полупроводники, диэлектрики.
Энергетическая диаграмма твердого тела
В 1890г. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой электроны в атоме не могут обладать произвольной энергией.
Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона – так называемый разрешенный энергетический уровень.
Энергия, которой не может обладать электрон, соответствует запрещенному энергетическому уровню.
Все это относится к одному изолированному атому. Но твердое тело состоит из множества атомов, которые расположены настолько близко друг к другу, что на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов.
В результате взаимодействия многих атомов происходит расщепление энергетических уровней на подуровни.
Совокупность энергетических уровней свободных электронов образует зону проводимости (ЗП).
Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону (ВЗ).
Энергетический промежуток, не содержащий энергетических уровней, называется запрещенной зоной.
Энергетическая диаграмма твердого тела выглядит:
Зона
проводимости
-
запрещенная
зона
Валентная
зона
(безразмерная
величина)
– это энергия,
которую приобретает электрон, пройдя
разность потенциалов в
.
Ширина запрещенной зоны ( ) определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Ширина запрещенной зоны влияет на электропроводность:
если
- данное вещество является диэлектриком;если
- данное вещество является полупроводником;если
- данное вещество является проводником.
Таким образом, в проводнике запрещенная зона отсутствует.
2 Внутреннее строение полупроводников
Атомы твердого вещества размещены в строго определенной последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя так называемую кристаллическую решетку.
Связь соседних атомов друг с другом с помощью 2-х валентных электронов называется ковалентной связью (один электрон принадлежит одному атому, а второй - другому).
Известно, что при абсолютном нуле у чистого (т.е. беспримесного) полупроводника электропроводность отсутствует (нет свободных электронов).
Это связано с тем, что все электроны участвуют в ковалентных связях.
При комнатной температуре часть валентных электронов получает тепловую энергию, достаточную для отрыва от атома, и переходит из валентной зоны в зону проводимости, т.е. становятся свободными.
При этом ковалентная связь оказывается неполной (вместо 2-х валентных электронов присутствует 1).
Отсутствие электрона в ковалентной связи называется дыркой.
Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды (имеют такой же по величине заряд, как и электроны, только со знаком «+»).
Процесс образования пары (свободный электрон + дырка) называется генерацией.
Дырка может быть заполнена другим электроном – валентным или свободным.
В первом случае валентный электрон переходит на место дырки из соседней ковалентной связи, образуя дырку в новом месте.
Таким образом, дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупроводнике, т.е. являются носителями заряда.
Во втором случае исчезают два носителя заряда: свободный электрон и дырка.
Процесс заполнения дырки свободным электроном называется рекомбинацией.
Рекомбинация – это процесс восстановления разорванной ковалентной связи, т.е. процесс, обратный генерации.