Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра «Гуманитарные науки»
Ю9.я7
К176
Ю.Е. Калугин электроника
Тексты лекций
Кыштым
2011
ВВЕДЕНИЕ
Электроника – отрасль науки и техники, изучающая 1) физические основы электронных приборов; 2) электрические характеристики и параметры, их свойства, устройство; 3) системы, основанные на электронных приборах.
Промышленная электроника, составляющая часть технической электроники, выделяются три области:
информационная электроника составляет основу вычислительной, информационно измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройств управления различными объектами и технологическими процессами;
энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи и др.
электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн: высокочастотный нагрев, плавка; ультразвуковая резка, сварка и т.д.
Тема 1.Физические основы полупроводниковой техники
1.1. Полупроводники, типы проводимости
Основу всей электроники составляют полупроводники. Это кристаллическая структура в 1000000 хуже проводящая электрический ток, чем проводник. Поясним.
Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.
Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электронов c разными спинами.
В результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.
Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами малозаметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.
Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис. 1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.
С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.
Рис.-1. Образование энергетических зон
Ширина запрещенной зоны W называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при W2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – W>2эВ диэлектриком.
Понятно, что при повышении температуры, количество электронов перешедших в свободную зону увеличивается, что приводит к улучшению проводимости (чистый полупроводник, чистая электропроводность). Тогда как у настоящих проводников возрастание температуры ухудшает проводимость.
Однако степень проводимости можно значительно (в тысячи раз) повысить, если чистый полупроводник легировать и возникает примесная проводимость.
Если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов, возникает тип проводимости, называемый примесной (рис.2, 3).
Рис. 2
Примеси, валентность атомов которых выше валентности основных атомов, называются донорными (или донорами). В этом случае электропроводность будет обусловлена в основном электронами примеси, которые переходят в свободную зону с уровня доноров WP<0,1 эВ , их называют основными носителями заряда (рис. 2,а). Полупроводники такого рода называют электронными, донорными, типа «n».
Примеси, валентность которых на единицу ниже валентности основных атомов, образуют свободные уровни вблизи занятой зоны Wp, не которую и переходят электроны из занятой зоны, тем самым освобождая зону для электронов проводимости. Полупроводники такого рода называют акцепторными, дырочными, типа «р»
Рис. 3
Рассмотрим, как это выполняется в реальных полупроводниках. Обычно полупроводники лежат в 4 или 6 зонах периодической системы Менделеева ПСМ. Кремний, германий, селен и т.д. Допустим, что кристаллическую решетку кремния попадает элемент из третьей группы (рис. 3, а). Так как для связи ему не хватает одного электрона, то он отбирает его у соседнего атома, при этом атом с недостатком электрона наз. дыркой. Эта дырка постоянно мигрирует от одного атома к другому. Если же полупроводник попадает в электрическое поле, то дырка будет смещаться направленно, т.е. появляется дырочная проводимость.
Если же в кристаллической решетке будет находиться атом элемента из 5 группы ПСМ, то один электрон лишний, он не нужен для связи, поэтому он сразу становится свободным и принимает участие в направленном движении, если полупроводник попадает в электрическое поле (рис. 2,а).
В легированных проводниках количество свободных зарядов увеличивается в десятки тысяч раз по сравнению с чистым полупроводником, во столько же раз увеличивается электропроводность.