ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОНИКИ
Власов В.П., Каравашкина В.Н.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Москва 2015
CОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
1.1. Электрические свойства веществ
1.2. Электрические заряды в полупроводниках
1.3. Энергетические диаграммы
1.4. Электропроводность полупроводников
1.5. Токи в полупроводниках
1.6. Особенности примесных полупроводников
1.7. Расчёт концентрации подвижных носителей заряда
2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
2.1. Контакты и структуры в электронике
2.2. Контактная разность потенциалов
2.3. Собственные токи в контактах
2.4. Электроёмкость контактов
2.5. Электрический и тепловой пробой в контактах.
3. КОНТАКТ МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК. ДИОДЫ ШОТКИ
3.1. Основные свойства металло-полупроводниковых контактов
3.2. Диоды Шотки
4. КОНТАКТ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Р- И N-ТИПА
4.1. Основные свойства p-n перехода
4.2. Основные числовые характеристики p-n перехода
4.3 Вольт-амперная характеристика p-n перехода
5. ДИОДЫ НА ОСНОВЕ M-N, P-N ПЕРЕХОДОВ И P-I-N СТРУКТУРЫ
5.1. Мощный выпрямительный диод
5.2. Импульсные и высокочастотные диоды
5.3. Стабилитрон
5.4. Варикап
5.5. Диоды на основе p-i-n структуры
5.6. Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи
6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.
МДП- ТРАНЗИСТОР
6.1. Основные свойства МДП-структуры
6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом
6.3. Основные параметры МДП-транзистора
6.4. Статические характеристики МДП-транзистора
6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором
6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор
7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
7.1. Основные свойства биполярного транзистора
7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой
7.3. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
7.4. Статические характеристики биполярного транзистора
8. ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
8.1. Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов
8.2. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов
8.3. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов
9. IGBT – ТРАНЗИСТОР
10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
11. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
11.1. Компьютерная модель диода
11.2. Компьютерная модель транзистора
12. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Общая характеристика веществ в электронике
1.1 Электрические свойства веществ. Полупроводники
Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных перемещаться под действием электрического поля. Такие заряды называют подвижными, их направленное движение – электрическим током. Сила тока i определяется скоростью перемещения суммарного заряда подвижных носителей Q: i = dQ/dt. Способность вещества пропускать ток называется электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов – свободных электронов.
Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладает большое число веществ.
Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности межу проводниками и диэлектриками. Типичным и самым распространённым в электронике полупроводником является кремний (Si). Широкое применение находят также некоторые соединения, например арсенид галлия (GaAs).
Чистые, или собственные полупроводники содержат атомы только одного вида. Если в полупроводник при изготовлении намеренно введены примеси определённого вида в необходимой концентрации, то это примесный полупроводник. Полупроводники, как правило, используются в кристаллическом виде. В кристаллах атомы располагаются на строго определённых расстояниях друг от друга, в строго определённом взаимном расположении. Это гарантирует предсказуемость и повторяемость электрофизических свойств полупроводника, их однородность и следовательно, независимость от источника сырья, места, времени и условий изготовления.
Кристаллическая решётка кремния условно изображена на рис. 1. Кружки здесь – атомы кремния, двойные линии между кружками – связи между атомами. Такие связи возникают благодаря валентности – способности атомов соединяться и удерживаться на определённом расстоянии друг от друга. Валентные связи обеспечиваются парами валентных электронов – электронов внешней, валентной орбиты (оболочки), по одному от каждого из связанных атомов атома. Именно внешними оболочками «соприкасаются» атомы при сближении и именно валентные электроны образуют связи с соседними атомами. Согласно рис. 1 каждый атом кристаллического кремния обладает четырьмя валентными электронами и связан с четырьмя соседними атомами, т.е. валентность кремния равна 4.
Рис. 1
На рис.1 кристаллическая решётка изображена в идеальном состоянии.
Однако в реальности полупроводник не может быть абсолютно чистым и бездефектным. От посторонних примесей и дефектов тщательно избавляются при изготовлении кристаллов для электронных элементов.
Электрические заряды в полупроводниках
Идеальное состояние решётки невозможно также при любой температуре, превышающей абсолютный нуль. При этом атомы и электроны хаотично колеблются относительно своих исходных положений, т.е. обладают некоторой тепловой энергией. Амплитуда и направление колебаний случайны и, вследствие обмена энергией при сближениях соседних атомов энергия хаотических тепловых колебаний электронов в некоторые моменты времени оказывается достаточной, чтобы они преодолели притяжение ядра и покинули атом. Такие электроны называются свободными или электронами проводимости, т.к. способны направленно двигаться под действием электрического поля. Свободными становятся, прежде всего, валентные электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные.
На месте валентного электрона, ставшего свободным, образуется так называемая дырка – микрообласть с зарядом +q *, в которой отсутствует валентный электрон. Заряд появляется здесь вследствие нарушения равенства суммарного заряда электронов атома и заряда его ядра. Процесс образования свободного электрона и дырки, или электронно-дырочной пары, называется генерацией, рис. 2а. Если генерация обусловлена теплом, то это термогенерация. Генерация может вызываться и другими видами энергии, например, световой при освещении полупроводника.
Рис. 2
Одновременно с генерацией происходит обратный процесс – рекомбинация. При этом перемещающийся по полупроводнику свободный электрон совпадает с дыркой, заполняет её и вновь становится валентным. Восстанавливается валентная связь и электрическая нейтральность данной микрообласти, свободный электрон и дырка исчезают, рис. 2б. В собственном полупроводнике генерация и рекомбинация свободных электронов и дырок происходит только парами, поэтому собственная концентрация свободных электронов ni и собственная концентрация дырок pi равны. Генерация происходит за счёт поглощения внешней энергии. Рекомбинация сопровождается её выделением, так как свободный электрон, превращаясь в валентный, теряет часть своей энергии. В частности, при рекомбинации полупроводник может светиться, что используется в светодиодах.
Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем заряда. При перемещении дырка заполняется не свободным, а соседним валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным, его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на новом месте, т.е. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в полупроводнике, т.е. возникновение тока, вызывается независимым друг от друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в полупроводниках может иметь как электронную In, так и дырочную Ip составляющие. Движение дырки поясняет рис. 3.
* q – элементарный, или единичный электрический заряд, равный …. Кл. Заряд электрона равен –q, дырки +q.
Рис. 3
Наряду с подвижными зарядами важную роль имеют неподвижные заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами называют атомы, утратившие часть своих электронов (положительные ионы) или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы). Ионы в твёрдых веществах не способны перемещаться и создавать ток. Однако, как и любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое поле, влияющее на подвижные заряды.