29

Конспект 1_1 «Електроніка та мікросхемотехніка, ч1»

Міністерство освіти і науки України

Національний університет „Львівська політехніка”

Кафедра „Комп’ютеризовані системи автоматики” конспект лекцій

з навчальної дисципліни „Електроніка та мікросхемотехніка”

(частина І)

для студентів стаціонарної і заочної форми навчання освітнього напряму

050201 „Системна інженерія”

2015 – Львів

Напівпровідникові прилади, мікроелектроніка і спеціальні напрями електроніки електропровідність напівпровідників

1.1. Електрони в твердих тілах

Сучасною фізикою доведено, що електрони в твердому тілі не можуть мати довільну енергію. Енергія кожного електрона може приймати лише певні значення, які називають рівнями енергії або енергетичними рівнями.

Електрони, розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на більш низьких енергетичних рівнях. Щоб віддалити електрон від ядра, треба подолати їх взаємне тяжіння, а отже, затратити деяку енергію. Тому більш віддалені від ядра електрони мають більшу енергію, тобто знаходяться на більш високих енергетичних рівнях.

Коли електрон переходить з більш високого енергетичного рівня на більш низький, то виділяється деяка кількість енергії, яка називається квантом або фотоном. Якщо атом поглинає один квант енергії, то електрон переходить з більш низького енергетичного рівня на більш високий. Таким чином, енергія електронів змінюється тільки квантами, тобто певними порціями.

Розподіл електронів за рівнями енергії зображають схематично так, як на рис.1.1. Горизонтальними лініями показані рівні енергії W електрона.

Рис.1.1. Схема рівнів енергії електронів для металу (а) і діелектрика (б)

Відповідно до так званої зонної теорії твердого тіла енергетичні рівні об'єднуються в зону. Електрони зовнішньої оболонки атома заповнюють ряд енергетичних рівнів, що складають валентну зону. Валентні електрони беруть участь в електричних і хімічних процесах, Більш низькі енергетичні рівні входять до складу інших зон, заповнених електронами (на малюнку не зображені), але ці зони не приймають участі в явищах електропровідності.

У металах і напівпровідниках існує велика кількість електронів, що знаходяться на більш високих енергетичних рівнях Ці рівні складають зону провідності. Електрони цієї зони, які називають електронами провідності, здійснюють безладне переміщення всередині тіла, переходячи від одних атомів до інших. Саме електрони провідності забезпечують високу електропровідність металів.

Атоми речовини, які віддали електрони в зону провідності, можна розглядати як позитивні іони. Вони розташовуються в певному порядку, утворюючи просторову гратку, або інакше іонну чи кристалічну. Такий стан речовини відповідає рівновазі сил взаємодії між атомами і мінімальному значенню загальної енергії всіх часток тіла. Всередині просторової гратки відбувається безладне переміщення електронів провідності.

На рис. 1.1.а) зображена схема рівнів енергії, або зонна енергетична діаграма, для металу. Потрібно зазначити, що насправді схема ця складніша, число рівнів в ній дуже велике і розподілені вони нерівномірно. Можна побудувати діаграму розподілення, визначення електронів за рівнями енергії (рис.1.2). Тут W₀ найбільша енергія, яку мають електрони при температурі, рівній абсолютному нулю (Т = 0^оК).

По горизонталі відкладена енергія W, а вертикальні відрізки зображають число електронів N, що відповідають даним значенням енергії (насправді число цих відрізків дуже велике). Діаграма на рис. 1.2, а) відповідає температурі абсолютний нуль. Вона показує, що кількість електронів, що не мають енергії, дорівнює нулю. Чим більше значення енергії, тим більше електронів набуває такої енергії. Максимальне число електронів має енергію W_О. Для більш високої температури показана діаграма на рис.1.2. б). У цьому випадку деяка кількість електронів має енергію більшу W₀ і відповідно зменшується кількість електронів з енергією меншою W_Q. Число електронів з більш високою енергією, ніж W₀, зменшується по мірі зростання енергії. Чим вище температура, тим більша максимальна енергія. W_MAX

Рис.1.1 показує, що у металів зона провідності безпосередньо примикає до валентної зони. Тому при нормальній температурі в металах велика кількість електронів має енергію, достатню для переходу з валентної зони в зону провідності. Практично кожний атом металу віддає в зону провідності принаймні один електрон Таким чином, число електронів провідності в металах не менше числа атомів.

І

Рис.1.2. Розподіл електронів в металі за рівнями енергії

Рис.1.3. Ковалентний зв'язок між атомами германiю

нша енергетична структура характерна для діелектриків. У них між зоною провідності і валентною зоною існує заборонена зона, яка відповідає рівням енергії, на яких електрони не можуть знаходитися (рис.1.1.б). Ширина забороненої зони, тобто різниця між енергією нижнього рівня зони провідності і верхнього рівня валентної зони, становить декілька електрон-вольт. При нормальній температурі у діелектриків в зоні провідності є тільки дуже незначна кількість електронів, і тому діелектрик має дуже мале значення провідності. Але при нагріванні деякі електрони валентної зони, отримуючи додаткову енергію, переходять в зону провідність, і тоді діелектрик набуває помітну провідність

У напівпровідників зонна діаграма подібна до зображеної на рис.1.1.б), але тільки ширина забороненої зони менша, ніж у діелектриків, і в більшості випадків складає біля одного електрон-вольт. Тому при низьких температурах напівпровідники є діелектриками, а при нормальній температурі значне число електронів переходить з валентної зони в зону провідності. Електропровідність напівпровідників детально розглядається в наступних параграфах.

В

Рис.1.4. Площинна схема кристалічної гратки германію

наш час для виготовлення напівпровідникових приладів найбільш широко використовуються германій (Ge) і кремній (Si), які мають валентність, рівну 4. Зовнішні оболонки атомів германію або кремнію мають чотири валентних електрони. Просторові кристалічні грати складаються з атомів, пов'язаних один з одним валентними електронами. Такий зв'язок, який називають ковалентним або парноелектронним, зображений на рис.1.3. Як видно, навколо кожної пари атомів рухаються по орбітах два валентні електрони, показані на малюнку потовщеними крапками. В умовному площинному зображенні такої кристалічної гратки (рис.1.4) ковалентні зв'язки показані у вигляді прямих ліній, а електрони як і раніше у вигляді крапок (іноді для спрощення електрони взагалі не показують).