Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
В.П.Власов, В.Н.Каравашкина
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для всех технических направлений
Москва 2016
1
УДК 621.38
Власов В.П., Каравашкина В.Н. Физические основы электроники:
Учебное пособие / МТУСИ. – М., 2016. - 68 с.
Данное учебное пособие содержит общие сведения об электрических
свойствах веществ и контактов различных материалов, используемых в
электронике, описание принципов работы и характеристик структур на их
основе, а также основные принципы моделирования электронных элементов.
Настоящее пособие полезно для подготовки бакалавров всех
технических направлений, проходящих обучение в МТУСИ.
Ил. 59, список лит. 6 назв.
Издание утверждено советом факультета РиТ. Протокол № 7 от 15.03.2016.
Рецензенты: Т.Б. Асеева, к.т.н., доцент (МТУСИ)
В.Н. Нефедов, д.т.н., профессор (НИУ ВШЭ)
© Московский технический университет
связи и информатики, 2016
2
CОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………. 5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ……………………….…. 6
1.1. Электрические свойства веществ. Полупроводники…………………………….. 6
1.2. Электрические заряды в полупроводниках……………………………………….. 7
1.3. Энергетические диаграммы………………………………………………………… 9
1.4. Электропроводность полупроводников…………………………………………… 11
1.5. Токи в полупроводниках……………………………………………………….…… 12
1.6. Особенности примесных полупроводников………………………………………. 13
1.7. Расчёт концентрации подвижных носителей заряда……………………………… 16
2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ…………………….17
2.1. Контакты и структуры в электронике……………………………………………….17
2.2. Контактная разность потенциалов…………………………………………………..18
2.3. Собственные токи в контактах……………………………………………………….19
2.4. Электроёмкость контактов…………………………………………………………...20
2.5. Электрический и тепловой пробой в контактах…………………………………….21
3. КОНТАКТ МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК. ДИОДЫ ШОТКИ……………………….… 21
3.1. Основные свойства металло-полупроводниковых контактов……………………. 21
3.2. Диоды Шотки………………………………………………………………………….22
4. КОНТАКТ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Р- И N-ТИПА………………………………………...24
4.1. Основные свойства p-n перехода…………………………………………………….24
4.2. Основные числовые характеристики p-n перехода…………………………………26
4.3 Вольт-амперная характеристика p-n перехода……………………………………...27
5. ДИОДЫ НА ОСНОВЕ M-N, P-N ПЕРЕХОДОВ И P-I-N СТРУКТУРЫ……………….… 28
5.1. Мощный выпрямительный диод……………………………………………….…… 28
5.2. Импульсные и высокочастотные диоды………………………………………….… 29
5.3. Стабилитрон………………………………………………………………………..… 30
5.4. Варикап………………………………………………………………………………. 31
5.5. Диоды на основе p-i-n структуры…………………………………………………….32
5.6. Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи…………………………………………..32
6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.
МДП-ТРАНЗИСТОР…………………………………………………………………………... 34
6.1. Основные свойства МДП-структуры……………………………………………… 34
6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом……………………………………. 35
6.3. Основные параметры МДП-транзистора……………………………………….…. 36
6.4. Статические характеристики МДП-транзистора…………………………………. 38
6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором…………………………………………. 41
6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор…………………………………………. 42
7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР…………………………. 43
7.1. Основные свойства биполярного транзистора…………………………………… 43
7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой…………………………………... 44
7.3. Дрейфовый биполярный транзистор ……………………………………………… 47
7.4. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером……………………………. 47
7.5. Статические характеристики биполярного транзистора………………………… 48
8. ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ…………… 50
8.1. Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов…………………… 50
8.2. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов……………………… 52
8.3. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов……………………….. 54
3
9. IGBT – ТРАНЗИСТОР………………………………………………………………………. 55
10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ…………………… 56
11. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ………… 59
11.1. Компьютерная модель диода………………………………………………………59
11.2. Компьютерная модель транзистора……………………………………………… 61
12. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ…………………………………………………… 63
13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………….. 66
4
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие призвано восполнить острую нехватку учебной
литературы по дисциплине «Физические основы электроники», связанную с
внешними факторами. Например, переход к бакалавриату, чрезвычайно
быстрые и радикальные изменения в электронике (переход к новой
элементной базе, новым методам разработки, изготовления и эксплуатации
аппаратуры). Теперь главной задачей вуза является подготовка бакалавров с
широкой гибкой общей эрудицией. Потребность в разработчиках с узкой
специализацией хотя и актуальна, но единична и требует намного более
высокого уровня школьной, вузовской и послевузовской подготовки.
Немногочисленные общедоступные издания, которые можно
рекомендовать для изучения отдельных вопросов курса ФОЭ, крайне
неудобны в целом и отличаются плохим соответствием современности и
задачам курса. Так, в [1] и [2] большое внимание уделяется p-n переходу и
диодам на его основе, в том числе исчезнувшим из электроники германиевым,
туннельным, обращенным диодам. Достаточно изучить каталог любого
крупного производителя полупроводниковых элементов, чтобы понять, что
основными на сегодня являются диоды с m-n, гетеро- и p-i-n структурами.
Последним в данных изданиях в лучшем случае уделены только
отдельные страницы. Преувеличено и неактуально внимание к биполярным
и тиристорным структурам, тогда как основной сегодня является
МДП-структура и ее многочисленные варианты. Стремительно
распространяющиеся IGBT приборы, как правило, даже не упоминаются.
Большим недостатком неспециальной литературы является также невнимание
к крайне важному факту: главным средством описания и изучения свойств
современных электронных элементов, а также главным инструментом
разработки, изготовления и эксплуатации изделий электроники стало
компьютерное моделирование.
В условиях крайне ограниченных объёмов лекционного курса и данного
пособия авторы сочли нужным избежать излишней детализации и
сосредоточиться на главном – концепциях, принципах, проблемах, методах в
физических основах современной электроники.
5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
1.1. Электрические свойства веществ. Полупроводники
Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных
перемещаться под действием электрического поля. Такие заряды называют
подвижными, их направленное движение – электрическим током. Сила тока i
определяется скоростью перемещения суммарного заряда подвижных
носителей Q: i = dQ/dt. Способность вещества пропускать ток называется
электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом,
плотностью концентрации или просто концентрацией подвижных носителей
– их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются
металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов –
свободных электронов.
Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их
электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладает большое число
веществ.
Полупроводники занимают промежуточное положение по
электропроводности межу проводниками и диэлектриками. Типичным и
самым распространённым в электронике полупроводником является кремний
(Si). Широкое применение находят также некоторые соединения, например
арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN).
Чистые, или собственные полупроводники содержат атомы только
одного вида. Если в полупроводник при изготовлении намеренно введены
примеси определённого вида в необходимой концентрации, то это примесный
полупроводник. Полупроводники, как правило, используются в
кристаллическом виде. В кристаллах атомы располагаются на строго
определённых расстояниях друг от друга, в строго определённом взаимном
расположении. Это гарантирует предсказуемость и повторяемость
электрофизических свойств полупроводника, их однородность и,
следовательно, независимость от источника сырья, места, времени и условий
изготовления.
Кристаллическая решётка кремния условно изображена на рис. 1.
Кружки здесь – атомы кремния, двойные линии между кружками – связи
между атомами. Такие связи возникают благодаря валентности – способности
атомов образовывать связи друг с другом и удерживаться на определённом
расстоянии друг от друга. Валентные связи (в данном кристалле ковалентные
связи – их частный случай) обеспечиваются парами валентных электронов –
электронов внешней, валентной орбиты (оболочки), по одному от каждого из
связанных атомов. Именно внешними оболочками «соприкасаются» атомы
при сближении, и именно валентные электроны образуют связи с соседними
атомами. Согласно рис. 1 каждый атом кристаллического кремния обладает
четырьмя валентными электронами и связан с четырьмя соседними атомами,
т.е. валентность кремния равна 4.
6
Рис. 1
На рис. 1 кристаллическая решётка изображена в идеальном состоянии.
Однако в реальности полупроводник не может быть абсолютно чистым и
бездефектным. От посторонних примесей и дефектов тщательно избавляются
при изготовлении кристаллов для электронных элементов.
1.2 . Электрические заряды в полупроводниках
Идеальное состояние решётки невозможно также при любой
температуре, превышающей абсолютный нуль. При этом атомы и электроны
хаотично колеблются относительно своих исходных положений, т.е. обладают
некоторой тепловой энергией. Амплитуда и направление колебаний случайны
и, вследствие обмена энергией между соседними атомами, энергия
хаотических тепловых колебаний электронов в некоторые моменты времени
оказывается достаточной, чтобы они преодолели притяжение ядра и покинули
атом. Такие электроны называются свободными или электронами
проводимости, т.к. способны направленно двигаться под действием
электрического поля. Свободными становятся, прежде всего, валентные
электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные.
На месте валентного электрона, ставшего свободным, образуется так
называемая дырка – микрообласть с зарядом +q *, в которой отсутствует
валентный электрон. Заряд появляется здесь вследствие нарушения равенства
суммарного заряда электронов атома и заряда его ядра. Процесс образования
свободного электрона и дырки, или электронно-дырочной пары, называется
генерацией, рис. 2а. Если генерация обусловлена тепловыми движениями
атомов, то это термогенерация. Генерация может вызываться и получением
кристаллом других видов энергии, например, световой при освещении
полупроводника.
* q – элементарный, или единичный электрический заряд, равный 1,6*10
электрона равен –q, дырки +q.
-19
Кл. Заряд
7
Рис. 2
Одновременно с генерацией происходит обратный процесс –
рекомбинация. При этом перемещающийся по полупроводнику свободный
электрон попадает в область дырки, восстанавливает ковалентную связь и
вновь становится валентным. Восстанавливается валентная связь и
электрическая нейтральность данной микрообласти, свободный электрон и
дырка исчезают, рис. 2б. В собственном полупроводнике генерация и
рекомбинация свободных электронов и дырок происходит только парами,
поэтому собственная концентрация свободных электронов ni и собственная
концентрация дырок pi равны. Генерация происходит за счёт поглощения
внешней энергии. Рекомбинация сопровождается её выделением, так как
свободный электрон, превращаясь в валентный, теряет часть своей энергии. В
частности, при рекомбинации полупроводник может светиться, что
используется в светодиодах.
Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем
заряда. При перемещении дырка заполняется не свободным, а соседним
валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным,
его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на
новом месте, т.е. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются
валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного
положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в
полупроводнике, т.е. возникновение тока, вызывается независимым друг от
друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в
полупроводниках может иметь как электронную In, так и дырочную Ip
составляющие. Движение дырки поясняет рис. 3.
8
Рис. 3
Наряду с подвижными зарядами важную роль играют неподвижные
заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами
называют атомы, утратившие часть своих электронов (положительные ионы)
или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы). Ионы в
твёрдых веществах не способны перемещаться и создавать ток. Однако, как и
любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое
поле, влияющее на подвижные заряды.
1.3 . Энергетические диаграммы
Энергетическая диаграмма – график с главной осью y, на которой
откладываются значения энергии W электронов вещества, обычно в электронвольтах, эВ. Ось x позволяет отобразить изменение энергии вдоль главной
координаты, в направлении движения носителей заряда. На рис. 4 изображена
энергетическая диаграмма собственного полупроводника для образца с
длиной l. Серые области соответствуют возможным значениям энергии
электронов (разрешённые зоны). Промежутки между ними – запрещённые
зоны. Электронов, имеющих энергии, находящиеся в пределах запрещённых
зон в веществе нет. Количество разрешённых и запрещенных зон в различных
веществах различно.
В проводниках запрещённых зон нет вообще, в диэлектриках верхняя
запрещённая зона очень широкая. Для полупроводников в электронике
наиболее важны три верхних зоны (рис. 4). Самая верхняя из них, зона
проводимости, соответствует энергиям свободных электронов. Под ней
располагается запрещённая зона, электронов в которой нет*. Разрешённая
зона ниже – валентная зона, соответствует энергиям валентных электронов.
* Часто используемое выражение «электрон находится в зоне…» указывает не на место его
расположения в пространстве, а на значение его энергии.
9
На энергетической диаграмме можно отобразить важные величины:
Wз – ширина запрещённой зоны;
Wc – дно зоны проводимости;
Wv – потолок валентной зоны.
Рис. 4
Энергетические диаграммы позволяют также графически отображать
состояния и процессы в полупроводниках [2]. Например, рис. 5 иллюстрирует
генерацию и рекомбинацию в собственном полупроводнике.
Рис. 5
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]