1. Определение терминов “элементная база” и “электронные приборы”. Классификация электронных приборов. Достоинства и недостатки полупроводниковых приборов.

1. Электронным прибором называется устройство, действующее на принципе использования явление движения электрона в высоком вакууме, газовой среде, твердом теле, жидкости, плазме. Кроме того, в них используются тепловые, оптические, акустические, магнитные, механические явления.

Соответственно различают электронные приборы.

Электровакуумные (электронные), в которых газ практически не влияет на полет электронов (давление 10-5...10-6 мм рт. ст. или 10-4...10-5 Па).

Ионные (газоразрядные) — давление газа от 10-3 Па до нормального. В результате соударения газ ионизируется (вода, ртуть, газы, пары воды).

Полупроводниковые — используются явления в кристаллической структуре вещества (твердого и жидкого).

Хемотронные — используются явления в жидкостях. Приборы функциональной электроники (полупроводниковые и из других материалов).

По выполняемым функциям приборы делят на группы:

Электропреобразовательные — преобразуют электрическую энергию одного вида в другую (генераторы, выпрямители, умножители, усилители и т.д.) - лампы, полупроводниковые диоды и транзисторы и т.п..

Электросветовые (электронно-оптические) — преобразуют электрическую энергию в световую (в разных областях спектра) — электронно-лучевые трубки, индикаторы, светодиоды, лазерные диоды, электронно-оптические приборы и др.

Фотоэлектрические — преобразуют световую энергию (в разных областях спектра) в электрическую — фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы, передающие телевизионные трубки и т.п.

Термоэлектрические — преобразуют тепловую энергию в электрическую (термоэлектрогенераторы).

Механоэлектрические — преобразуют механическую энергию в электрическую (механотроны, акусто-электронные приборы и т.п.).

Электро-криогенные приборы — преобразуют электрическую энергию в “холод” (полупроводниковые холодильники и пр.).

2. По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры. 2. Отсутствие затраты энергии на накал. 3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов). 4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок). 5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны. 6. Маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс. 2. Свойства приборов сильно зависят от температуры. 3. Работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применяются вакуумные лампы. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приёмниках, передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и во многих других устройствах.

2. История развития техники электронных приборов. Закономерности развития. Особенности современного состояния.

3. Классификация полупроводников. Собственный полупроводник. Понятие о дырке.

Классификация полупроводников

• Полупроводники , Органические, Неорганические, Аморфные, Кристаллические, Магнитные, Не магнитные, Твёрдые растворы, Химические соединения, Элементы Германий Кремний пр.

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током iдр. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

iдр= in+ ip,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

Понятие о дырке. Дырка – носитель положительного заряда, образуется при уходе валентного электрона из атома. Направление ее движения противоположно направлению движения электрона. Исходя из модели энергетических зон, дырка – это незаполненный уровень валентной зоны.

4. Энергетические зоны полупроводников. Распределение электронов и дырок по энергиям. Распределение Ферми-Дирака, Максвелла-Больцмана. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры.

5. Примесные полупроводники p и n типов. Зонная модель. Зависимость энергии Ферми примесного полупроводника от концентрации примесей и температуры.

Примесный – это такой п/п, в котором для изменения его электрофизических свойств нарушена структура кристаллической решетки.

Модель ковалентной связи- Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки.

Примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки, называются донороными.

Для Ge и Si донорной примесью являются элементы V группы – фосфор P, мышьяк As,сурьма Sb.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость п/п становится преимущественно электронной.

Такие полупроводники получали название электронных или п/п n-типа.

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. -