Введение

Объектом изучения дисциплины «Физические основы электроники» являются полупроводниковые материалы, электрические явления в твердых телах, вакууме, газах.

Предмет дисциплины «Физические основы электроники» — параметры и характеристики физических процессов в твердых телах, вакууме, газах, принципы эффективного их использования при создании различных полупроводниковых и электровакуумных приборов.

Изучение дисциплины «Физические основы электроники» базируется на математических и естественнонаучных дисциплинах: математика, физика, химия.

Целью учебной дисциплины является: формирование знаний и умений в области физических основ электроники, способов описания свойств, характеристик и параметров веществ, физических процессов в них, для последующего самостоятельного изучения и исследования их применения в элементной базе как эксплуатируемых, так и перспективных средств связи.

Стремительные темпы развития науки, техники и, что особенно важно, физических принципов и технологии производства элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, неизбежно ведет к быстрому моральному старению элементной базы конкретных образцов техники связи. В этих условиях приобретает особую значимость знание общих физических принципов и технологии производства современной и перспективной элементной базы радиоэлектронной аппаратуры. Возможность адаптации специалистов к новым техническим решениям и задачам определяется уровнем их базовой подготовки, который формируется, в частности, дисциплиной «Физические основы электроники», которая вводит основные профессиональные понятия, термины и определения, методы анализа, которые широко используются в последующих общепрофессиональных и специальных дисциплинах по направлению подготовки инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Тема №1: Основные законы теории твердого тела лекция №1: особенности строения твердых тел

1 Краткая историческая справка

Современная электроника являются потребителем весьма большого количества конструкционных и специальных материалов, свойства которых должны удовлетворять самым разнообразным требованиям.

Под электрорадиоматериалами принято понимать специальные материалы, из которых изготовляют электрические машины, аппараты, другие элементы электрооборудования, элементы радиотехнических и радиоэлектронных схем и т.д.

Обычно электрорадиоматериалы делят на электроизоляционные (диэлектрики), проводниковые, полупроводниковые, магнитные и вспомогательные. Такое разделение предполагает различие в областях и целях применения той или иной группы материалов.

Величины, с помощью которых оценивают те или иные свойства материалов, называют характеристиками и параметрами. Чтобы полностью оценить свойства того или иного материала, необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики и параметры

Параметр — числовая величина, характеризующая то или иное свойство материала (напр., температура плавления и т.д.)

Характеристика — описание характерных, отличительных качеств, свойств чего-нибудь… В технической литературе — это, как правило, функциональная зависимость некоторого параметра объекта (процесса) от внешних факторов.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на диэлектрики, проводники и полупроводники.

Диэлектриками называют материалы, основным свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля.

К проводникам относят материалы, основным свойством которых является сильно выраженная электропроводность при нормальной температуре.

К полупроводниковым материалам относят вещества, которые при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление r в пределах от 10^–3 до 10⁹ Ом·см^*. Количество полупроводниковых материалов, известных в настоящее время, далеко превышает число металлов и диэлектриков. К полупроводниковым материалам относятся некоторые химические элементы (Ge, Si, Se и др.), множество различных соединений:

антимониды (InSb, GaSb, AlSb);

арсениды (InAs, GaAs, AlAs);

окислы (Cu₂O, ZnO);

сульфиды (CdS, ZnS);

нитриды (InN, GaN, AlN)

карбиды (SiC) и множество других химических соединений.

Первые опыты применения полупроводников в радиотехнике относятся к началу XX века. Наш выдающийся соотечественник, изобретатель радио А. С. Попов впервые в мире применил полупроводниковый кристалл для демодуляции сигналов сначала в радиотелеграфии, а затем и в радиотелефонии. В период с 1900 по 1905 гг. был проведен ряд экспериментальных работ по исследованию детектирующих свойств точечного контакта металлической пружинки на кристаллах таких полупроводников, как свинцовый блеск (гален), карбид кремния, кремний и теллур.

Следующий период в развитии полупроводниковой техники начался приблизительно с 1920 г. и был связан с развитием промышленных типов «сухих» выпрямителей и фотоэлементов. Основным вкладом в полупроводниковую технику этого периода явилось создание Грондалем в 1926 г. технического меднозакисного выпрямителя переменного тока, а также меднозакисного и селенового фотоэлементов.

Группой ученых под руководством крупнейшего специалиста в области физики полупроводников академика А. Ф. Иоффе в 30-х годах было начато широкое и систематическое исследование свойств полупроводников.

В 1937 г. на основании теоретических предположений, сделанных А.Ф. Иоффе и А.В. Иоффе, Б.И. Давыдовым, была разработана теория выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности: электронной и дырочной.

Первый опыт управления током, текущим через кристалл, был проделан немецкими учеными Р. Хильшем и Р.В. Полем (1938 г.) на щелочно-галоидных кристаллах, область объемного заряда в которых может иметь толщину порядка сантиметра.

Бурное развитие радиоэлектроники, и особенно радиолокационной техники, в период второй мировой войны дало новый толчок исследованиям в области полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов.

Появление в тот же период сложнейших многоламповых схем электронных счетных машин и развитие авиационной радиотехники привело к необходимости разработки малогабаритного надежного электронного оборудования. Было установлено, что решение целого ряда серьезных задач с помощью радиоламп оказывается или затруднительным, или вообще практически невозможным.

Исследования проводились в различных направлениях и завершились в 1948 г. созданием Бардином и Браттейном точечного германиевого триода. Полупроводниковая техника начала быстро развиваться. Уже к концу 1952 г. были разработаны основные типы известных в настоящее время усилительных полупроводниковых приборов — транзисторов: точечный и плоскостной триоды, плоскостной высокочастотный тетрод, канальный триод. В основе принципа работы всех этих приборов лежало использование электронно-дырочного перехода.

Так как электронно-дырочный переход является основным элементом почти в каждом полупроводниковом приборе, большое значение приобрела и теория р-n перехода, которая впервые была разработана Шокли в 1949 г. и в дальнейшем развивалась и углублялась различными учеными в разных странах.