2. Электронные приборы

   1. Понятие и классификация

Электронные приборы — это нелинейные элементы с управляемыми параметрами, осуществляющие преобразования сигналов в электронных устройствах. Работа этих приборов основана на электронных эффектах, происходящих в различных средах, при воздействии на них электрических, магнитных, световых, тепловых, акустических и других полей. Под действием этих полей в электронных приборах происходит направленное движение заряженных частиц или изменение их энергетического состояния.

В зависимости от среды, в которой находятся эти заряженные частицы различают полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные, диэлектрические, магнитные и электролитические приборы. Основные группы универсальных электронных приборов включают в себя полупроводниковые (наиболее распространенные), электровакуумные и газоразрядные приборы. Остальные, в основном специализированные, обычно объединяются в одну группу приборов — приборы функциональной электроники.

Принцип действия большинства электронных приборов основан на управлении потоками заряженных частиц — плотностью потока, скоростью и направлением движения частиц, силами электрических и магнитных полей. При этом продольные поля изменяют скорость движения частиц и используются для формирования потоков частиц, а поперечные изменяют направление движения этих потоков. К этим электронным приборам относятся, в частности, практически все полупроводниковые, газоразрядные и электровакуумные приборы.

К полупроводниковым приборам, работа которых основана на воздействии внешних полей на энергетическое состояние заряженных частиц, относятся, например, квантовые, диэлектрические и магнитные приборы.

Электронные приборы находят широкое применение во всех областях современной науки и техники. Они составляют основу профессиональной и бытовой электронной аппаратуры от простых электронных устройств до сложных электронных систем, например, систем передачи информации, радиолокационных и радионавигационных систем, электронных систем промышленной автоматики, вычислительных систем, и информационно-измерительных систем, в том числе, гидрометеорологических. В гидрометеорологических информационно-измерительных системах такие электронные приборы составляют основу интеллектуальных датчиков — устройств, преобразующих физические величины в электрические сигналы, обеспечивающие неограниченные возможности автоматизации сбора, передачи, обработки, хранения и отображения измерительной информации.

2. Полупроводниковые приборы

   1. Материалы полупроводниковых приборов и их электрофизические свойства

Полупроводниковые приборы, благодаря их высокой надежности и возможности микроминиатюризации электронных устройств, составляют основу современной электроники. Материалы, из которых изготавливаются полупроводниковые приборы имеют твердую кристаллическую структуру и относятся в четвертой группе периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева. К ним относятся как простые полупроводники: германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), так и сложные материалы: арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и другие.

По своему удельному сопротивлению полупроводниковые материалы занимают промежуточное место между проводниками, у которых и диэлектриками, которые имеют . При этом электропроводность полупроводниковых материалов не постоянна и зависит от многих факторов, в первую очередь от температуры.

Известно, что в твердом теле энергетические уровни электронов расщепляются на энергетические зоны, состоящие из множества уровней с близкими значениями энергий. Количество уровней в зоне пропорционально числу атомов в теле, а их ширина, расстоянию между соседними атомами. Верхняя энергетическая зона, наиболее удаленная от ядра атома, называется валентной и находящиеся в ней электроны могут участвовать в химических реакциях, а следующая за ней зона, в которой электроны теряют связь с атомом и становятся свободными, называется зоной проводимости. Взаимное расположение валентной энергетической зоны и зоны проводимости в проводниках, диэлектриках и полупроводниках показано на рис. 2.1.

а) б) в)

Рис. 2.1. Внешние энергетические зоны: а) в проводниках, б) в диэлектриках,

в) в полупроводниках

В проводниках зона проводимости и валентная зона пересекаются. В непосредственной близости от верхних уровней валентной зоны, занятых электронами, находятся свободные энергетические состояния, для перехода в которые достаточно очень небольших приращений энергии за счет воздействия внешнего электрического поля, после чего начинается их направленное движение по проводнику, создающее в нем электрический ток.

В диэлектриках между полностью заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости существует энергетический зазор, называемый запрещенной зоной, в котором нет разрешенных энергетических уровней. В этом случае, для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, электрону нужно сообщить значительную энергию, обеспечивающую этот процесс, определяемую шириной запрещенной зоны (до 6 — 10 электрон-вольт). Поэтому существенная проводимость в диэлектриках может возникать только при температурах выше 400°— 800°С и при электрическом пробое в сильных электрических полях.

В полупроводниках ширина запрещенной зоны, т.е. энергия, необходимая для перехода валентного электрона в зону проводимости невелика. Например, для германия она составляет 0,72 эВ, а для кремния 1,12 эВ, что существенно меньше, чем в диэлектриках. Это обусловлено характером связи валентных электронов с атомами в полупроводнике. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводникового материала соседние атомы имеют два общих валентных электрона, по одному от каждого атома, т. е внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь валентных электронов. Такая связь называется ковалентной.

При температурах, близких к нулю градусов Кельвина, все валентные электроны в полупроводниковом кристалле прочно связаны с атомами. Свободных электронов, способных участвовать в переносе зарядов при этом нет и полупроводник имеет такое же сопротивление, как диэлектрик. С ростом температуры, энергия электронов возрастает, они, освобождаясь от ковалентных связей, переходят в зону проводимости, становясь свободными и проводимость полупроводника быстро возрастает. Остающееся в валентной зоне место после перехода электрона в зону проводимости называется дыркой. Процесс образования свободного электрона называется генерацией, а обратный процесс слияния электрона с дыркой и восстановления ковалентной связи — рекомбинацией.

Эти процессы носят вероятностный характер. Энергия, которую имеет возбужденный электрон с вероятностью 0,5, называется уровнем Ферми ( ). Уровень Ферми чистого полупроводника находится посередине запрещенной зоны.

Существенное влияние на электропроводность полупроводниковых материалов оказывают также электрические поля, воздействие света, ионизирующих излучений и механические воздействия. Эта способность полупроводниковых материалов изменять свою электропроводность при различных внешних воздействиях в широком диапазоне от диэлектрического до проводящего состояния и определила их название.

При отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны и дырки возникая и исчезая при их генерации и рекомбинации, хаотически перемещаются по кристаллу полупроводника. Если подать на кристалл напряжение от источника, движение электронов и дырок становится направленным и течет электрические ток. Этот ток имеет две составляющие — электронную и дырочную. Причем отрицательные свободные заряды — электроны движутся к положительному полюсу источника, а положительные свободные заряды — дырки, к отрицательному. Соответственно различают два типа проводимости — электронную n-типа (от англ. Negative — отрицательный) и дырочную p-типа (от англ. Positive — положительный).

В химически чистом полупроводниковом материале количество дырок и свободных электронов одинаково и электрический ток создается переносом зарядов обоих знаков. Такую электронно-дырочную проводимость называют собственной проводимостью полупроводника.

Чистые полупроводниковые материалы применяются в полупроводниковых резисторах. Другие полупроводниковые приборы изготавливаются на основе примесных полупроводников. В примесных полупроводниковых материалах часть атомов в узлах кристаллической решетки замещается атомами с другой валентностью. В качестве примесей служат материалы: пятивалентные — фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) и трехвалентные — галлий (Ga), индий (In), алюминий (Al), бор (B).

При внесении в полупроводник пятивалентной примеси ее атомы, вступая в ковалентную связь с атомами полупроводника, освобождают один электрон, который оказывается при этом лишним. Возникает избыток свободных электронов, которые в таких примесных материалах являются основными носителями зарядов, а в узлах кристаллической решетки появляются неподвижные положительные ионы примеси. Такая примесь называется донорной, а материалы — полупроводниками n-типа, поскольку в них преобладает электронная проводимость. Дырок в таких полупроводниках намного меньше, чем электронов, и они называются неосновными носителями.

Если в полупроводник вносится трехвалентная примесь, то ее атомы при вступлении в ковалентную связь с атомами полупроводника захватывают электроны валентной зоны, создавая избыток дырок и образуя отрицательные неподвижные ионы в кристаллической решетке полупроводника. Такая примесь называется акцепторной, а материалы — полупроводниками р-типа, так как в них преобладает дырочная проводимость. Дырки в этих материалах являются основными носителями, а электроны неосновными.

Введение примесей приводит к перераспределению энергетических уровней в полупроводнике и смещению уровней Ферми в полупроводниках n-типа к зоне проводимости, а в полупроводниках р-типа в сторону валентной зоны.

В примесных полупроводниках концентрация основных носителей электрических зарядов на 2 — 3 порядка выше концентрации неосновных. При этом проводимость примесных полупроводников в десятки и сотни тысяч раз выше проводимости чистых.

С ростом температуры за счет термогенерации увеличивается концентрация неосновных носителей и при высоких температурах примесный полупроводник вырождается в собственный. Для германия этот температурный предел составляет +75° +85°С, для кремния +150° +170°С. Это существенное преимущество кремния, как материала для изготовления полупроводниковых приборов. Нижний предел рабочего диапазона температур полупроводника определяется снижением концентрации основных носителей (уменьшением электропроводности) – составляет порядка —55° —60°С