Твердотельная электроника.-3

156

П.Е.Троян

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Томск-2006

157

Троян П.Е.

Твердотельная электроника:

Учебное пособие. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2006. - 321 с.

В учебном пособии рассмотрены физические основы твердотельной электроники, устройство, принцип действия, характеристики и параметры основных классов полупроводниковых приборов различного назначения, их эквивалентные схемы и модели, а также вопросы технологии изготовления и применения приборов.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», обучающихся по направлению"Электроника и микроэлектроника», и написано в соответствии с рабочей программой по дисциплине и требованиями ГОС ВПО по данному направлению.

ÓТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

2006

162

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Цели, задачи и предмет курса "Твердотельная электроника"

Курс "Твердотельная электроника" относится к циклу общепрофессиональных дисциплин, читаемых для студентов специальностей, обучающихся по направлению "Электроника и микроэлектроника". Для освоения дисциплины необходимы знания по курсу общей физики, высшей математики и электротехники. Поскольку из трех специальностей университета две("Промышленная электроника" и "Электронные приборы и устройства") не изучают курса физики твердого тела, то в учебное пособие включен раздел"Физические основы твердотельной электроники", позволяющий дать студентам этих специальностей минимальные сведения по физике полупроводников, необходимые для усвоения дисциплины "Твердотельная электроника".

Учебное пособие может быть также полезным для студентов, обучающихся по другим специальностям университета радиоэлектронного профиля.

Электроника - это область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, протекающих в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах, технологией изготовления электронных приборов и их применением для создания электронных устройств различного назначения.

Так как в проводящих средах и приборах на их основе ток создается в основном за счет движения электронов, то в широком понимании все созданные приборы можно, в общем называть электронными. Однако в связи с различными средами, в которых перемещаются носители зарядов, различают следующие основные классы электронных приборов: электровакуумные, газоразрядные, твердотельные. Причем класс твердотельных приборов в основном представлен полупроводниковыми приборами.

Настоящее учебное пособие представляет собой краткий конспект лекций по дисциплине"Твердотельная электроника", который в ТУСУРе изучают студенты трех специальностей: "Промышленная электроника", "Электронные приборы и устройства", "Микроэлектроника и твердотельная электроника".

163

Предмет курса "Твердотельная электроника" ограничивается областью твердотельных приборов.

Твердотельная электроника - направление в электронике,

охватывающее изучение физических явлений в твердых телах, лежащих в основе работы приборов, технологии изготовления и применения твердотельных приборов. По конструктивнотехнологическим признакам твердотельные приборы подразделяются на дискретные и интегральные. Основным видом твердотельных приборов являются полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые приборы - это приборы, принцип дей-

ствия которых основан на специфических свойствах полупроводниковых материалов и структур на их основе и связан с движением заряженных частиц в твердом теле. По функциональному назначению полупроводниковые приборы делятся на усилительные, генераторные, переключательные и индикаторные. Ос-

новными классами полупроводниковых приборов являются классы диодов, транзисторов, тиристоров.

Современный этап развития электроники - микроэлектроника. Микроэлектроника - динамично развивающееся научнотехническое направление, базирующееся на достижениях в области физики твердого тела, технологии, микросхемотехники и системотехники.

Микроэлектроника - это научно-техническое направление в электронике, охватывающее проблемы исследования, проектирования и конструирования, а также изготовления и применения микроэлектронных изделий для создания электронных - уст ройств различного назначения. Причем под микроэлектронными изделиями понимаются изделия с высокой степенью интеграции. Основными элементами современных электронных устройств являются интегральные микросхемы.

Электронное устройство - совокупность электрически связанных между собой пассивных(резисторы, конденсаторы, индуктивности) и активных (диоды, транзисторы, тиристоры) компонентов, создающих схему управления и исполнения, выполняющих определенную функцию. Причем пассивные и активные элементы могут иметь дискретное или интегральное исполнение.

164

Возможности создания новых устройств автоматики, вычислительной техники, телевидения, медицинской техники, бытовой электронной аппаратуры и т.д. зависят от наличия соответствующей элементной базы. В качестве основной элементной базы современных устройств электроники выступают полупроводниковые приборы и интегральные схемы, т.е. приборы твердотельной электроники.

Поскольку в государственном образовательном стандарте по направлению "Электроника и микроэлектроника" предусмотрено изучение дисциплины "Микроэлектроника", то в данном пособии вопросы, относящиеся к этому курсу, не рассматриваются. Основное содержание данного учебного пособия посвящено изучению физики работы полупроводниковых приборов, их параметров, эквивалентных схем и моделей, возможным областям применения приборов.

Целью изучения дисциплины "Твердотельная электроника" является приобретение знаний по физическим основам действия твердотельных приборов, их электрическим характеристикам в статическом и динамическом режимах, реакции приборов на внешние воздействия, представлению приборов в виде электрических моделей и методов экспериментального определения параметров моделей и приборов, а также выработка навыков в совершенствовании и углублении знаний по твердотельным приборам.

Задачей изучения курса является приобретение умений и навыков в расчете параметров твердотельных приборов, умения правильно выбрать прибор для построения электронной схемы с учетом поставленной задачи, обеспечить надежную эксплуатацию прибора с максимальным использованием его возможностей, а также приобретение практических навыков экспериментального определения параметров приборов и моделей.

Студенты, изучившие дисциплину "Твердотельная электро-

ника", должны знать и уметь:

1.Физические основы твердотельной электроники.

2.Устройство, принцип действия, основные характеристики и параметры основных классов полупроводниковых приборов, их эквивалентные схемы и модели.

165

3.Уметь экспериментально определять параметры приборов и параметры электрических моделей приборов.

4.Иметь представления о современном состоянии -эле ментной базы твердотельной электроники и тенденциях ее развития. Обладать навыками получения новых знаний по твердотельным приборам.

1.2. Краткая историческая справка

Вцелом развитие электроники как научно-технического направления прошло три этапа: вакуумная электроника, этапа дискретных полупроводниковых приборов и микроэлектроники.

Поскольку предметом данного пособия является твердотельная электроника, то остановимся очень кратко на важнейших вехах развития данного этапа.

Несмотря на то, что до начала 50-х годов прошлого века господствующее положение в электронике занимала вакуумная электроника, работы по созданию твердотельных приборов восходят к середине 19 века. Впервые выпрямляющие свойства на контакте между металлами и сернистыми соединениями обнаружены в 1884г. А еще ранее свойства полупроводников начали изучать Фарадей (1833г.) и Беккерель (1839г.).

Как научно-техническое направление твердотельная электроника сформировалась в начале 20 века после создания основ электродинамики (Максвелл 1861-1873гг.), открытия фотопроводимости (Смит, 1873г.), односторонней проводимости контакта металл-полупроводник (Браун 1874г.), фотоэлектронной эмиссии (Герц, Столетов 1887-1905гг.), открытия электрона (Дж.Дж.Томсон 1897г.), создания электронной теории (Лоренц

1892-1909гг.).

ВРоссии первые шаги по использованию твердотельных приборов принадлежат Попову, который при изобретении радио применил порошковый когерер, в котором использованы нелинейные свойства зернистых систем, и Лосеву, который использовал отрицательное дифференциальное сопротивление на контакте металла с полупроводником для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Значительный объем работ в области полупроводниковой электроники выполнен Иоффе и учениками его школы, а также Шоттки и Шокли.