Основы электроники

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых). Одним из главных направлений электроники является полупроводниковая электроника.

Полупроводниковые материалы

К полупроводниковым материалам  относят  Ge-германий, Si-кремний,   Se-селен,  GaAs-арсенид  галлия и  ряд  других. По своему удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. Границы между ними весьма условны,  так как при достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупроводник, а любой чистый полупроводник при весьма низких температурах подобен диэлектрику.

При температуре  выше абсолютного  нуля в полупроводниковом материале часть электронов разрывает  ковалентные связи, образующие кристаллическое состояние материала, и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне.  Вакантный энергетический уровень в  валентной зоне (отсутствие электрона) называют дыркой проводимости,  которая в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом.  Такой  процесс  образования пар электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар электрон-дырка. После  своего  появления  дырка проводимости под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же,  как электрон  в  зоне  проводимости.  При этом возможен процесс захвата электронов  зоны  проводимости   дырками   валентной   зоны. Процесс  исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией.  Этот процесс сопровождается  выделением  энергии,  которая идет  на  нагрев  кристаллической  решетки и частично излучается во внешнюю среду.

     Если к  кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то движение электронов и  дырок  приобретает  некоторую  направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Такая проводимость   называется   собственной,  а  полупроводник — собственным полупроводником. Эта проводимость обычно невелика и увеличивается с повышением температуры.

     Если в кристалл германия или кремния добавить примесь  элементов  третьей или пятой групп таблицы Менделеева,  то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

     Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны,  создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают  электроны  из  решетки  основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника. В зависимости от типа примесей, вводимых в полупроводник, их разделяют на два типа:

1. Полупроводники р-типа (positive), обладающие положительной проводимостью, обусловленной наличием избыточных положительных зарядов - дырок.

2. Полупроводники п-типа (negative), обладающие отрицательной проводимостью, обусловленной наличием избыточных электронов.

Под действием внешнего электрического поля эти избыточные заряды приобретают направленное движение, образуя ток, называемый дрейфовым.