Элементная база электроники задачник. Учебно-методическое пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.Д. БЯЛИК, А.В. КАМЕНСКАЯ

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

ЗАДАЧНИК

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2016

1

УДК 621.38(076.1) Б 994

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент И.Л. Новиков канд. техн. наук, доцент И.С. Савиных

Бялик А.Д.

Б 994 Элементная база электроники: задачник: учебно-метод. пособие / А.Д. Бялик, А.В. Каменская. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2016. – 48 с.

ISBN 978-5-7782-2948-8

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов

имикроэлектроники для студентов II курса факультета РЭФ

иутверждена Редакционно-издательским советом университета

вкачестве учебно-методического пособия

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

A – работа выхода

C – электрическая емкость

с– скорость света в вакууме

D– коэффициент диффузии d – длина, расстояние

E– напряженность электрического поля, энергия

IS , I0 – ток насыщения

G– ток термогенерации

i– мгновенное значение тока J – интенсивность излучения

j– плотность тока

k– постоянная БольцманаI

L – индуктивность, диффузионная длина носителей заряда

Q– заряд

R– активное сопротивление, универсальная газовая постоянная r – радиус

S– площадь, крутизна передаточной характеристики

T– температура

4

t – время

U– разность потенциалов, электрическое напряжение Uпроб – напряжение пробоя

V– объем, электрическое напряжение

v– скорость

w– толщина базы, число витков

x– расстояние

z– расстояние, полное сопротивление

– коэффициент передачи по току (для БТ с ОБ), показатель

преломления, угол

β– коэффициент передачи по току (для БТ с ОЭ), угол

γ – удельная проводимость, эффективность эмиттера, угол

δ– толщина, угол диэлектрических потерь

ε– относительная диэлектрическая проницаемость

σ– удельная проводимость

τ– время жизни носителей заряда

φ– фазовый сдвиг, потенциал

ω– угловая (циклическая) частота

5

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

1.Скорость света в вакууме, c 2,998 108 м/с

2.Заряд электрона, q 1,602 10 19 Кл

3.Масса покоя электрона, mn 9,109 10 31 кг

4.Масса покоя протона, mP 1,673 10 27 кг

5.Постоянная Планка, h 6,626 10 34 Дж · с

6.Приведенная постоянная Планка ћ = h/(2·π) = 1,055 10 34 Дж · с

7.Постоянная Больцмана, k 1,381 10 23 Дж/К

8.Число Авогадро, NА 6,023 1023 1/моль

9.Электрическая постоянная, 8,849 10 12 Ф/м

10.Тепловой потенциал (при T = 300 К), т = kT/q = 0,0258 В

6

УКАЗАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Материал настоящего задачника составлен таким образом, чтобы он способствовал закреплению теоретических знаний, а также вырабатывал навык в решении инженерных задач.

При решении задачи необходимо прежде всего установить, какие физические закономерности лежат в ее основе. Затем с помощью формул, выражающих эти закономерности, следует найти решение задачи или ее части в общем виде (т. е. в буквенных обозначениях), причем искомая величина должна быть выражена через заданные величины. После этого можно перейти к подстановке числовых данных, обязательно выраженных в одной и той же системе единиц. Рекомендуется пользоваться единицами системы СИ. Числовой ответ непременно должен иметь размерность.

В некоторых задачах для нахождения искомых величин приходится решать систему достаточно громоздких уравнений. В этом случае целесообразно сначала подставить в эти уравнения известные числовые коэффициенты, а затем находить искомые величины.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать с точностью до второго-третьего знака после запятой. Это обычно определяется точностью представления исходных данных.

Полученное в виде числового ответа решение необходимо проверить каким-либо способом. Полезно оценить результат, сначала вычислив его приближенно, округляя значения для удобства.

Некоторые задачи можно решить несколькими методами, что позволяет сделать вывод о том, какие из них наиболее рациональны. Всегда следует считать лучшим тот метод решения, который проще, т. е. требует меньшего числа действий.

В заключение кратко перечислим основные рекомендации, следование которым поможет существенно облегчить решение инженерных задач.

1. Необходимо обращать внимание на все без исключения слова в условии, поскольку при наличии или отсутствии каких-либо, на первый взгляд, малосущественных ограничений ощутимо упрощается решение.

7

2.Перед решением задачи желательно выписать все известные и относящиеся к решению законы и формулы.

3.Перед решением сложной и непонятной задачи необходимо попытаться сначала свести задачу к более частной и, как правило, к более простой.

4.Для удобства интерпретации условия задачи и поиска решения полезно делать соответствующие рисунки и чертежи, желательно как можно более крупными, в натуральную величину или в масштабе. Имеющиеся в условии чертежи достраивать до удобных.

5.Число уравнений должно соответствовать количеству неизвестных по ходу решения. При необходимости нужно вводить новые неизвестные.

6.Если сразу после прочтения условия задачи возможные пути решения задачи с первого взгляда не очевидны, необходимо сначала формально записать все возможные уравнения, которые могут привести к решению.

7.Необходимо помнить, что в конечных формулах должны присутствовать только буквы (данные), которые описываются в условии как известные, плюс общеизвестные константы. Если условие задачи составлено корректно, то в одном из вариантов решения должны присутствовать все известные по условию данные. Если это не так, то либо вариантов решения несколько, либо (что вероятнее) задача решена неверно.

8.Всякое решение необходимо проверить на здравый смысл, на предельные и частные случаи, на размерность и на порядки.

8

РАЗДЕЛ 1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В соответствии со статистикой Ферми–Дирака вероятность заполнения энергетического уровня электроном или дыркой в твердом теле определяется энергией E, соответствующей этому уровню, и абсолютной температурой T [1, 2, 6, 7]:

где EF – энергия уровня Ферми, вероятность заполнения которого

равна 1/2.

Исходя из вероятности заполнения соответствующего энергетического уровня электроном или дыркой можно определить их концентрацию.

Собственная концентрация электронов и дырок может быть выражена соотношениями:

где 2NC и 2NV – эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно; NC и NV – эффективные плотностиуровней в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно: