Общая электротехника и электроника. Физические свойства и элементная

УДК 621.382 327

Рецензенты:

Президент Пермского регионального общественного отделения «Западно-Уральская академия информациологии» общественной организации «Международная академия информатизации» академик В.В. Белоусов;

доцент кафедры автоматики и телемеханики Пермского государственного технического университета, кандидат технических наук Г.В. Кропачев

Заневский Э.С.

327 Общая электротехника и электроника. Физические основы и эле­ ментная база электроники: Конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - 114 с.

Рассмотрены вопросы, связанные с физическими основами и процессами, происходящими в полупроводниковых материалах, а также на границе двух сред: полупроводник - полупроводник, полупроводник - металл, полупровод­ ник - диэлектрик. Описаны физические процессы, связанные с фотоэффектом и эффектом электрического поля в полупроводнике. Рассмотрены вопросы эле­ ментной базы электроники и микроэлектроники, принцип действия, вольтамперные характеристики параметров и области применения электронных прибо­ ров. Дано описание полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на преобразовании световой энергии в электрическую и на обратном пре­ образовании.

Конспект лекций предназначен для студентов специальностей «Управление и информатика в технических системах», «Сети связи и системы коммутации» при изучении курса «Физические основы электроники».

УДК 621.382 О Пермский государственный

технический университет

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Ле к ц и я 1

1.1. Общие сведения о полупроводниках

При создании электронных приборов в дискретном и интегральном исполнении используют полупроводниковые материалы. К ним относятся такие вещества, у которых удельное сопротивление лежит в пределах КГ3 - 109 Омсм. Однако такое количественное разделение всех веществ на полупроводники, диэлектрики и металлы чисто условное, так как отли­ чие их более глубокое. Эти отличия будут более подробно рассмотрены в этой главе.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике чаще всего используются кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), реже антимониды, карбиды, окислы, сульфиды.

1.2. Структура полупроводника

Для полупроводников характерно кристаллическое строение с регу­ лярной структурой. Каждый кристалл можно разбить на повторяющиеся однотипные элементарные ячейки. Такой элементарной ячейкой для Si и Ge является правильный тетраэдр. Тетраэдр подобен молекуле, состоящей из четырех атомов, связанных между собой прочной ковалентной связью (рис. 1.1). Несколько таких тетраэдров образуют простую ячейку кристал­ л а - куб с размером ребра 5А (рис. 1.2). Несколько таких кубов создают

кристалл, а несколько кристаллов - полупроводниковый материал. При рассмотрении кристаллической решетки удобнее пользоваться не объем­ ной, а эквивалентной плоской решеткой, представленной на рис. 1.3. В уз­ лах этой решетки находятся атомы полупроводникового материала, а две линии отражают ковалентную связь соседних валентных электронов, кото­ рых в полупроводнике четыре. Ковалентная связь возникает в результате попарного объединения валентных электронов, то есть один и тот же ва­ лентный электрон принадлежит двум соседним атомам.

1.3. Носители зарядов в полупроводниковых материалах

Плоская кристаллическая решетка (см. рис. 1.3) возможна только при температуре абсолютного нуля. Уже при комнатной температуре под дей­ ствием тепловых колебаний атомов в решетке часть валентных связей раз­ рывается. Количество разрушенных связей зависит от температуры. В ре­ зультате этого процесса образуется свободный электрон и незаполненная (оборванная) связь между атомами кристаллической решетки (рис. 1.4). Эта незаполненная связь получила название дырки. Дырка, как и электрон, подвижна и совершает хаотическое или направленное движение внутри кристаллической решетки после своего появления, а затем рекомбинирует­ ся с одним из свободных электронов. Время существования дырки называ­ ется временем жизни.

Рис. 1.4

Следовательно, в полупроводнике имеются два вида носителей - электрон и дырка, которые движутся в противоположном направлении, но так как заряд у них разный, то полный ток (полная проводимость) опреде­ ляется перемещением электронов и дырок.

Рассмотренная кристаллическая решетка относится к абсолютно чис­ тому или однородному полупроводнику, который носит название собст­

венного. В полупроводниковой электронной технологии наибольшее при­ менение получили примесные полупроводники, имеющие по отношению к собственному полупроводнику несравнимо большую проводимость. В ка­ честве примеси используются трех- и пятивалентные материалы.

Для примера добавим в кремний пятивалентный мышьяк в количестве примерно 10 % от атомов кремния. В этом случае атом мышьяка займет один из узлов кристаллической решетки, четырьмя валентными электро­ нами соединится с соседними атомами, образовав при этом устойчивую кристаллическую решетку, а пятый электрон, слабо связанный с ядром, уже при комнатной температуре станет свободным (рис. 1.5).

Следовательно, в таком полупроводнике появляется большое количе­ ство свободных электронов (проводимость возрастает в сотни раз). Эти полупроводники получили название «-полупроводников, а примесь - до­ норной. Основными носителями в «-проводниках являются элеюроны, а неосновными - дырки, концентрация которых значительно меньше кон­ центрации электронов. В качестве донорной примеси кроме мышьяка час­ то используются фосфор (Р), висмут (В), сурьма (Sb). Если электрон поки­ нет атом донора, то внутри кристаллической решетки образуется непод­ вижный положительный ион донора (рис. 1.6).

Если в чистый полупроводник добавить трехвалентную примесь (на­ пример, индий (In), бор (В), галий (Ga) и др.) в той же пропорции, что и донорная примесь, то атом примеси займет один из узлов в кристалличе­ ской решетке, тремя валентными электронами соединится с тремя сосед­ ними атомами, а одна валентная связь останется незаполненной (рис. 1.7). Такие полупроводники получили название /7-полупроводников, а при­ месь - акцепторной. Основные носители в /7-полупроводнике - дырки, не­ основные - электроны, так как концентрация дырок несравнимо больше

концентрации электронов. Если дырка, образованная акцепторной приме­ сью, рекомбинируется с электроном, то внутри кристаллической решетки образуется неподвижный отрицательный ион акцептора (рис. 1.8).

1.4. Зонная теория твердого тела

Атом любого вещества состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным пространственным орбитам электронов. Электрон может

цузского физика де-Бройля, который установил, что каждой пространственной орбите соответствует строго своя длина волны, а длина волны определяется энергией электрона: X = 2hlJlmW, где W - энергия электрона, W = mv1/2. Поэтому можно гово­ рить не о пространственных орбитах, а об энергетических, или потенци­ альных, уровнях, так как W = (ре, где ср - потенциал. Чем больше энергия электрона, тем на более высоком энергетическом уровне он находится. Ис­ ходя из сказанного, энергетическая диаграмма изолированного атома вы­ глядит так, как показано на рис. 1.9.