Электроника Ч2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт металлургии и химии Кафедра электропривода и электротехники

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Часть II. Электроника

Для студентов неэлектрических специальностей ЧГУ.

ЧЕРЕПОВЕЦ

2005

2

Нохрин А. Н.

Электротехника и электроника. Курс лекций. Часть II. Электроника. Череповец, 2005.

Вторая часть курса лекций “Электротехника и электроника” соответствует утвержденным учебным планам по специальности 190205 – Подъемно-транспортные,

строительные, дорожные машины и оборудование. направления подготовки дипломированных специалистов 190200 – Транспортные машины и транспортно-

технологические комплексы. Она содержит три темы и 17 лекций в соответствии с учебной программой. Рассмотрены классификация, физические принципы построения и работы, характеристики, параметры и применение полупроводниковых приборов, транзисторных усилителей, а также усилителей, импульсных, логических и цифровых устройств, в основу построения которых положено применение интегральных микросхем. Рассмотрены принципы построения и работы наиболее распространенных функциональных узлов устройств цифровой обработки информации. Пособие может быть полезно студентам старших курсов при разработке курсовых и дипломных проектов.

Лекции рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ЭП и ЭТ, протокол № 3 от 24.11.05, одобрены редакционной комиссией ИМиХ, протокол № .

Рецензенты: А. Г. Вэрэш – к.т.н., доцент,зав. кафедрой ЭП и ЭТ ИМиХ ЧГУ;

А. М. Водовозов – к. т. н., доцент, зав. кафедрой управляющих вычислительных систем ВГТУ; В, А. Шабалов – к. т. н., профессор кафедры ВТ и СУ ИЭИ ЧГУ.

3

ВВЕДЕНИЕ

Электроника появилась в результате поиска способов использования электрических явлений для передачи информации. Возможности по реализации теоретических изысканий в этом направлении открылись после изобретения итальянским физиком А. Вольтой электрохимического источника тока (1799 г.). Уже в 1809 г. немецкий врач С. Т. Земмеринг построил первое в мире электронное устройство – телеграф. В основу изобретения было положено применение источника тока. В 1832 г. русский электротехник и ученый П. Л. Шиллинг продемонстрировал действие первого электромагнитного телеграфа.

Опираясь на исследования Фарадея, Дж. Максвелла и опыты Г. Герца, А. С. Попов создал устройство для регистрации электромагнитных волн. Демонстрация первого в мире радиоприемного устройства состоялась 7 мая 1895 г. Радиоимпульсный режим работы стал широко использоваться для передачи информации. Это привело к необходимости создания чувствительных индикаторов электрических колебаний и устройств для их усиления – электронных приборов.

В 1904 г. Д. Э. Флеминг, используя разработки А. Н. Лодыгина и Т. А. Эдисона, изготовил первую электронную лампу – диод, который начали использовать в приемниках для выделения передаваемых сигналов. С этого времени началась история современной электроники – науки, изучающей принципы построения, работы и применения различных электронных приборов. Именно применение электронных приборов позволяет построить устройства, обладающие полезными для практических целей функциями – усиление электрических сигналов, передачу и прием информации, измерение параметров и т.д. Сегодня электроника помогает быстрее считать, лучше планировать, точнее управлять технологическими процессами.

Очень быстро (примерно за 30 лет) было разработано много типов электровакуумных приборов. Обладая достаточно высокими качественными

4

показателями, они имели существенные недостатки: большие габариты, большую потребляемую мощность и малый срок работы. Эти недостатки серьезно мешали изготовлению сложных многофункциональных устройств.

В тридцатых годах прошлого столетия началась интенсивная исследовательская работа по созданию полупроводниковых электронных приборов. Существенные результаты в этом направлении были получены в послевоенные годы. Так, в 1947 г. американские исследователи Дж. Бардин и У. Бреттейн создали и испытали первый германиевый точечный транзистор. В 1949 г. советские ученые А. В. Красилов и С. Г. Мадоян изготовили первые отечественные образцы точечных транзисторов. В 1952 г. У. Шокли выдвинул идею создания полевого транзистора, которую реализовал в 1958 г. польский ученый С. Тешнер. В 1960 г. Д. Кинг и М. Аттала создали МОП-транзистор.

Полупроводниковые приборы имеют малую потребляемую мощность, высокую надежность, малую массу и размеры, поэтому уже к началу 70-х годов они практически полностью вытеснили электровакуумные электронные приборы, позволили создать новое направление электроники – микроэлектронику.

Полупроводниковая электроника интенсивно развивается и в нашей стране. Большой вклад в развитие полупроводниковых электронных приборов внесли советские ученые Лосев, Френкель, Курчатов, Давыдов, Туркевич и многие другие. Выдающихся успехов в этом направлении добился академик Ж. И. Алферов. За исследование гетеропереходов и за организацию производства полупроводниковых приборовна их основе в2000 г. Ж. И. Алферовуприсуждена Нобелевскаяпремия.

Предлагаемый курс лекций предназначен для оказания помощи студентам в изучении принципов построения и работы полупроводниковых приборов и различных устройств, в основу построения которых положено применение полупроводниковых приборов.

5

ТЕМА 5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

С точки зрения электропроводности все материалы разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. В основу построения современных электронных приборов положено применение полупроводниковых материалов: – германия, кремния, арсенида-галия, индия, карбида кремния и др. Почему эти материалы названы полупроводниками? Каковы их свойства и как эти свойства используют для построения электронных приборов? Ответы на эти и другие вопросы составляют содержание данной темы.

ЛЕКЦИЯ 18. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ. ДИОДЫ

1.ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ

Всостав всех тел входят одинаковые по своим свойствам элементарные заряженные частицы – носители зарядов. Но различные тела обладают разными электрическими свойствами. Различие свойств обусловлено разным характером движения носителей зарядов в разных телах. В одних телах заряженные частицы под действием внешнего электрического поля могут свободно перемещаться от атома к атому. Такие тела называют проводниками. В других, под действием внешнего поля, происходит лишь небольшое смещение частиц. Эти тела называют диэлектриками.

Долгое время характер движения носителей зарядов объясняли различной степенью связи атомов в проводниках и диэлектриках. В действительности разделение тел на проводники и диэлектрики определяется раз-

6

личной структурой их энергетического спектра, т. е. объясняется законами квантовой механики.

В квантовой механике движение носителей зарядов объясняется принципом Паули. Согласно этому принципу, изолированный атом вещества обладает набором энергетических состояний (уровней). Набор энергетических уровней атома получил название энергетического спектра. Пример графического изображения спектра приведен на рис. 18.1, а. Разрешенный i- й уровень энергии атома обозначают символом εi. Графически ему соответствует горизонтальная линия.

Энергия электронов атома может принимать только те уровни, которые находятся в его наборе. Кроме того, электроны обладают собственным моментом количества движения (спином). Проекция спина на какую-либо ось может иметь только два значения. Это означает, что в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон с определенной ориентацией спина. Другими словами, любое энергетическое состояние атома может быть свободным или занятым, но если оно занято, то только одним электроном и не более.

При объединении атомов в кристалл образуются «кристаллические решетки». Ядра атомов занимают места в узлах решетки. Электронные оболочки атомов в большей или меньшей степени перекрываются. Теперь они принадлежат не отдельному атому, а всей решетке. Общим становится и энергетический спектр. Из каждого энергетического уровня εi возникает полоса уровней. Такую полосу называют разрешенной зоной.

Расстояние между разрешенными зонами называют запрещенной зоной. Число электронов в разрешенной зоне равно числу однородных атомов в кристалле. Однако и в разрешенной зоне каждый электрон c определенной ориентацией спина занимает свой, отличный от других электронов, уровень.

7

Энергетический спектр кристаллической решетки принимает вид, приведенный на рис. 18.1, б.

ε 3

3

ε2 23

2

Рис. 18.1. Графическое изображение энергетического спектра отдельного атома (а) и кристаллической решетки (б)

Обозначим ширину разрешенной зоны !ε, а минимальный интервал между разрешенными энергетическими уровнями в этой зоне – !э. Тогда, согласно принципу Паули, максимальное число электронов в одной зоне не может быть больше nε = !ε ⁄ !э.

Чтобы энергия кристалла была минимальной, нужно сначала заполнить самую низкую зону, затем более высокую и т. д., пока не исчерпаются все электроны. При таком размещении электронов возможны два варианта:

–электроны полностью заполнят несколько разрешенных зон, а остальные разрешенные зоны останутся свободными,

–в последней из заполняемых зон останутся незанятые уровни.

Если к кристаллу по первому варианту приложить электрическое поле, то его электроны получат дополнительную энергию и начнут ускоряться. Но перейти на более высокий энергетический уровень в пределах разрешенной зоны они не могут, так как все уровни заняты.

Чтобы перейти в свободную разрешенную зону, электронам необходимо преодолеть запрещенную зону. Если ширина запрещенной зоны боль-

8

шая, электроны преодолеть ее не могут. Это означает, что кристалл не имеет свободных носителей зарядов и является диэлектриком.

Ширина запрещенной зоны диэлектриков очень большая – несколько единиц эВ (больше 4 эВ). Чтобы переход стал возможным, к кристаллу нужно приложить напряжение, способное разрушить его структуру. Такое напряжение называют напряжением электрического пробоя.

Во втором варианте под влиянием электрического поля электроны ускоряются и переходят на свободный, более высокий энергетический уровень в разрешенной зоне. Это означает, что возможно протекание тока при сколь угодно слабом электрическом поле. Кристалл является проводником. Следует отметить, что ширина запрещенной зоны проводников мала, а у металлов она практически отсутствует. Поэтому проводимость металлов обычно высока.

2.ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Мы выяснили, что у металлов запрещенная зона практически отсутствует, а у диэлектриков она очень большая. Существует ряд веществ, атомы которых имеют относительно небольшую ширину запрещенной зоны, существенно больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков. На-

пример, при температуре 300 К у кремния ширина запрещенной зоны э =

1,12 эВ; у германия э = 0,66 эВ. Такие вещества называют полупроводниками. Рассмотрим их свойства.

Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона. Схема их идеальной кристаллической решетки приведена на рис. 18.2, а. При температуре абсолютного нуля по Кельвину все электроны полностью заполняют нижнюю разрешенную зону. Эта зона называется валентной. Ближняя разрешенная зона свободна, но отделена запрещенной зоной (рис. 18.2, б).

9

В слабом электрическом поле или при незначительном (несколько градусов) нагреве кристалла электроны получают дополнительную энергию, но ее недостаточно для преодоления запрещенной зоны. В валентной зоне свободных уровней нет. Поэтому, несмотря на полученное ускорение, электроны (носители заряда) остаются без движения. Кристалл ведет себя как диэлектрик.

С повышением температуры нагрева до определенной величины (Т ≈ 300 К) некоторые электроны получают энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в свободную зону (рис. 18. 2, б). Такие электроны назвали электронами проводимости, а зону, в которую они перешли, зоной проводимости. Освободившийся энергетический уровень в валентной зоне называют дыркой. Переход электрона в зону проводимости означает разрыв одной из валентных связей в кристаллической решетке рис. 18.2, а. В зоне проводимости электрон может свободно перемещаться по кристаллу.

12

Число электронов проводимости зависит от температуры кристалла и определяется выражением

10

где n0 – концентрация атомов вещества (см-3), F – ширина запрещенной зоны (эВ).

Пример. Пусть n0 = 1022 см-3, ! = 1,0 эВ, Т = 275 К. Подставляя эти значения в (18.1) и учитывая, что эВ = 1,6·10-19, получим n = 4896. Если

температуру повысить до 300 К, то n = 164300.

Приведенный пример показывает, что концентрация электронов зависит от температуры. Число носителей зарядов относительно мало. Это отличает полупроводники от металлов. Другое отличие заключается в том, что, наряду с электронами проводимости, в кристалле появляется еще один тип носителей заряда – дырки. Очевидно, что число дырок p равно числу электронов проводимости n, поэтому принято говорить о паре носителей. Процесс образования в чистом полупроводнике пар электрон-дырка называют генерацией собственных но- сителей зарядов. Генерация носителей заряда происходит непрерывно.

Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно происходит и обратный процесс – рекомбинация носителей заряда, т. е. возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону. При этом пара носителей заряда исчезает. Среднее время между моментами генерации и рекомбинации называется временем жизни носителя заряда τр.

Механизмы рекомбинации могут быть различны. Различают межзон-

ную, излучательную, безызлучательную рекомбинации и рекомбинацию с участием рекомбинационных ловушек. Наиболее интенсивно происходит рекомбинация последнего типа. Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять атомы или ионы примеси, различные включения в кристалле, незаполненные узлы кристаллической решетки, трещины и другие несовершенства объема или поверхности. Дефекты кристаллической решетки называют

центрами рекомбинации.

В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей заряда взаимно уравновешены. При этом в полупровод-

нике существуют равновесные концентрации электронов п и дырок р, причем,