ВВЕДЕНИЕ

Электроника - отрасль науки и техники, изучающая:

• Физические явления в электровакуумных и полупроводниковых при­борах;

• электрические характеристики и параметры электровакуумных и полупроводниковых приборов;

• свойства устройств и систем, основанных на применении электровакуумных и полупроводниковых приборов.

Первое из этих направлений составляет основу физической электроники, второе и третье направления - технической электрони­ки.

В технической электронике можно выделить четыре главных об­ласти - радиоэлектронику, промышленную электронику, ядерную и биологическую электронику.

Радиоэлектроника связана с радиотехникой и составляет основу радиосвязи, телевидения, радиолокации, радиоуправления, радиона­вигации, радиоастрономии.

Промышленная электроника связана с применением электронных устройств в различных отраслях промышленности и обслуживает эти отрасли устройствами измерения, контроля, управления, преобразо­вания электрической энергии, а также технологическими установ­ками.

Ядерная электроника связана с процессами получения, изучение и использования элементарных частиц.

Биологическая электроника охватывает применение электрон­ных устройств в биологических исследованиях, особенно в медици­не (медицинская электроника).

В промышленной электронике можно выделить три области - информационную электронику, энергетическую электронику и электронную технологию.

Техническая электроника широко внедряется практически во все отрасли науки и техники, поэтому знание основ электроники необ­ходимо всем инженерам.

В настоящем методическом пособии рассматриваются основы теории полупроводниковых приборов, изучаются их свойства и характеристики.

1. Полупроводниковые диоды

1. Электропроводность полупроводников

Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристалли­ческие полупроводники (монокристаллы с примесями не более одно­го атома примеси на 10¹⁰ атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической про­водимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками. При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ См/м (для металлов -10⁶ - 10⁸ См/м, для диэлектриков – 10^-8 - 10^-13 См/м). Основная особенность полупроводников - возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). К полупроводникам относят многие химические элементы, такие, как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, суль­фидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов.

Собственная электропроводность. У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов - германия и кремния, кристаллическая решетка тетраэдрическая (имеет форму правильной треугольной пирамиды). Проекция структуры германия на плоскость показана на рис.1.1. Каждый валентный электрон в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Предположим, что в кристалле нет примесей и нет струк­турных дефектов. При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома (рис.1.1). Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное ("вакантное") место - дырка. Заряд дырки положительный и по аб­солютному значению равен заряду электрона.

Свободное место - дырку - может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образует­ся новая дырка, и т.д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки. При этом следу­ет иметь в виду, что в кристаллической решетке атомы "жестко" закреплены в узлах. Уход электрона из атома приводит к иониза­ции, а последующее перемещение дырки означает поочередную ионизацию "неподвижных" атомов. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться под, действием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направ­ления электрического поля, а дырки, как положительные заряды, - по направлению поля. Электропроводность собственного полупровод­ника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Процесс образования пары "электрон проводимости - дырка проводимости" называется генерацией пары носителей заряда.

Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией.

Примесная электропроводность. Если в полупроводник внести примесь, он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электрон­ной или дырочной. В качестве примера рассмотрим случай, когда в чистый германий вводится примесь пятивалентного элемента, напри­мер мышьяка (рис. 1.2). Атом мышьяка связывается в кристалличес­кой решетке германия ковалентными связями. Но в связи могут участ­вовать только четыре валентных электрона мышьяка, а пятый элект­рон оказывается "лишним", менее сильно связанным с атомом мышьяка. Уже при комнатной температуре он может стать электроном проводи­мости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки. Таким образом, в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле - свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными. В таком примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники - полупроводниками n-типа. Электроны в полупровод­никах n-типа являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Если в германий ввести примесь трехвалентного элемента (например, индия), то для образования восьмиэлектронной ковалентной связи с германием индию не хватает одного электрона. Одна связь останется незаполненной. При незначительном повышении тем­пературы в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома германия, оставив на своем месте дырку (рис.1.3), которая может быть также заполнена электроном и т.д. Таким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называются акцепторными.

В этом примесном полупроводнике электропроводность обуслов­лена в основном дырками, ее называют дырочной. а полупроводники - полупроводниками р-типа. Дырки для полупроводника р-типа - ос­новные носители заряда, а электроны - неосновные.