Раздел 2. Основы электроники и электрические измерения

Революционные изменения во многих сферах человеческой деятельности во многом определяются достижениями в области электроники, составляющей основу современных систем радио и телевидения, телемеханики, вычислительной техники, “искусственного разума” и многих других отраслей науки и техники.

Промышленность серийно выпускает широчайший спектр электронных приборов различных типов и назначений от простейших дискретных элементов до сверхбольших интегральных схем и микропроцессов. Существующие наборы функционально законченных узлов и блоков в микроинтегральном исполнении позволяют создавать мощные вычислительные системы, системы контроля и управления технологическими процессами и т.д. не производя дополнительных расчетов отдельных элементов и узлов. В процессе эксплуатации и ремонта сложных управляющих и вычислительных систем контроль работоспособности и ремонт так же сместился в сферу крупных функционально законченных блоков.

Все это требует от инженерно – технических работников, участвующих в разработке и эксплуатации современных электронных устройств, систем и комплексов четких представлений о принципах построения и основных параметрах, используемых электронных компонентов.

Кроме этого электронная промышленность обновляет номенклатуру выпускаемых изделий для успешного использования которых специалистам надо уметь разбираться в принципах их действия, функциональных возможностях и способах реализации, что невозможно без знаний основ современной электроники.

Глава 6. Элементная база современных электронных устройств.

6.1. Краткие сведения о структуре полупроводников.

В основе построения электронных схем лежат полупроводниковые приборы различных типов и назначений.

К полупроводникам принято относить материалы, которые при комнатной температуре имеют электрическое сопротивление от 10^-5 до 10¹⁰ Ом·см. В качестве основных материалов для построения полупроводниковых приборов используют кремний, германий, арсенид галлия, селен и т.д.

Рассмотрим вкратце основные физические процессы лежащие в основе функционирования полупроводниковых приборов.

Известно, что атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в пределах определенных слоев (оболочек).

Удаление слоев от ядра определяется энергией электронов. Чем дальше от ядра находится электрон тем выше его энергетический уровень. Слои образуют различные энергетические уровни дискретного типа с разрешенными и не разрешенными орбитами расположения электронов. При этом возможен переход с одного уровня на другой.

При переходе электрона на более высокую орбиту происходит поглощение энергии, при обратном переходе выделение энергии. Поглощение и выделение энергии осуществляется строгими порциями (квантами). На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов.

“Потолком” энергетического спектра является уровень ионизации, на котором электрон приобретает энергию, позволяющею ему стать свободным и покинуть атом, что и является предпосылкой для протекания электрического тока в веществах ( проводниках, полупроводниках).

Внутренние оболочки полностью заполнены электронами, внешние заполнены не всегда и они более слабо связаны с ядром, в результате чего электроны внешних оболочек легче вступают во взаимодействие с другими атомами.

Электроны, расположенные во внешних, разрешенных оболочках называют валентными.

Если валентные связи соседних атомов объединяются, то связь называют ковалентной. Эта связь характерна для полупроводников.

Например, в распространённом на практике, материале германия каждый атом имеет четыре валентных электрона и в молекуле он может установить связи с четырьмя соседними атомами так, как это условно показано на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Структура связей атома германия

Если атомы находятся в связанных состояниях, то на валентные структуры действуют поля электронов и ядер соседних атомов, что приводит к расщеплению разрешенных энергетических уровней внешних слоев на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг к другу, но не перекрываются.

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три вида зон: разрешенные (полностью заполненные) зоны, запрещенные зоны и зоны проводимости.

На рис. 6.2 условно показаны изображения двух разрешенных зон (1 и 3) и запрещенной зоны 2.

Рис.6.2 Условное обозначение разрешенных и запрещенных зон

Густота линий на рисунке показывает уровень энергии электрона.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все уровни ее при температуре 0⁰К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют валентной.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней на которых могли бы находится электроны.

Зона проводимости частично или полностью заполненная зона, характеризуется тем, что электроны, находящиеся на ней обладают энергиями, позволяющими им под воздействием внешних полей (например, электрического поля) переходить на другие уровни или покидать атомы и передвигаться внутри твердого тела.

У металлов зона проводимости и валентная зона частично перекрываются, поэтому металл обладает электропроводностью.

У полупроводников и диэлектриков зона проводимости при 0⁰К пуста и электропроводность отсутствует.

Разница между полупроводниками и диэлектриками в ширине запрещенной зоны ΔЭ. У наиболее распространенных проводников

ΔЭ = 0.1…3эВ.

У диэлектриков – ΔЭ > 6эВ.

У полупроводников при повышении температуры, часть электронов будет иметь энергию достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводник электропроводным.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние называют дыркой. Валентные электроны соседних атомов могут переходить в эти дырки создавая новые дырки в других местах. То есть создается как бы эффект перемещения дырок, хотя это перемещение и фиктивное.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов называют электронной, а электропроводность образованную фиктивным перемещением дырок – дырочной.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре, отличной от 0⁰К, число свободных электронов равно числу дырок и такую электропроводность теплового происхождения называют собственной.

Процесс образования пары электрон – дырка называют генерацией пары. Генерация пары может быть следствием воздействия тепловой, электрической, ударной, световой и т.д. энергии.

В процессе генерации электрон и дырка начинают хаотическое движение в кристалле пока электрон не займет место какой-либо дырки, в результате чего валентные связи восстанавливаются. Этот процесс восстановления называют рекомбинацией.

Промежуток времени между генерацией и рекомбинацией называют временем жизни, а расстояние пройденное за время жизни – диффузной длиной. Поскольку в кристалле много частиц, то обычно говорят о среднем времени жизни и средней диффузной длине.

Если в проводнике создать внешнее электрическое поле напряженностью Е, то хаотичное движение носителей заряда упорядочивается т.е. дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях. Причем направление движения дырок совпадает с направлением действия внешнего поля.

Движение носителей зарядов создает токи с плотностями, определяемыми формулами:

; ,

где q – заряд электрона; n и p число электронов и дырок в единице объема вещества; - подвижность носителей заряда.

Результирующая плотность тока в полупроводнике определяется формулой:

Движение носителей заряда в полупроводнике под действием электрического поля называют дрейфом, а образующийся при этом ток – дрейфовым током.

Удельную проводимость полупроводника G можно определить по формуле: ;

где - удельное сопротивление проводника.

Электрические свойства полупроводников зависят не только от температуры, но в значительной мере от содержания в них атомов примесей, а так же от различных дефектов кристаллической решетки.

Примеси бывают акцепторные и донорные.

Атомы акцепторных примесей способны принимать из вне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион.

Такая примесь образуется если, например, в германий внедрить трехвалентный атом индия. При таком внедрении образуется устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет одного дополнительного электрона, который индий отбирает у одного из окружающего его атомов германия. При этом атом индия превращается в неподвижный отрицательный ион, а на месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам германия, которые были у него за счет тепловых перемещений электронов, что условно показано на рис. 6.3.

Рис.6.3. Структура полупроводника с акцепторными примесями

Учитывая, что атом индия не один, то можно говорить об “ощутимом” преобладании дырок при организации такой “смеси”. То есть у такого полупроводника преобладает дырочная проводимость и его называют полупроводником p-типа. Для него .

Атомы донорных примесей в отличие от акцепторных имеют валентные электроны слабо связанные со своим ядром. Такой электрон легко может уйти в зону того материала куда введена примесь. При этом в решетке остается положительный неподвижный ион, а электрон добавится к свободным электронам собственной проводимости.

Такая ситуация будет наблюдаться если, например, в германий ввести примесь из пятивалентной сурьмы (рис.6.4)

Рис.6.4. Структура полупроводника с донорными примесями

Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда, когда он получает дополнительную энергию.

В этом случае концентрация свободных электронов превышает количество дырок и полупроводник обладает электронной проводимостью. Такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.

Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводнике, называют основными носителями заряда, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводнике меньше, чем концентрация основных-неосновными носителями заряда.