Кафедра электротехники, электроснабжения, автоматики и информационных технологий

Конспект лекций

по дисциплине «Электроника» при подготовке

бакалавра по направлению 110800.62 – «Агроинженерия»,

профиль – «Электрооборудование и электротехнологии »

(заочная форма обучения)

	Составитель – к.т.н., доцент Пигарев Л.А.

Раздел №1. Элементная база современных электронных устройств.

Полупроводники материалы: собственные полупроводники (п/п); п/п p– иn–типов на основе германия и кремния; п/п на основе карбида кремния. Электронно-дырочныйp-nпереход. Полупроводниковые диоды: выпрямительные диоды; диоды Шоттки; светодиоды; стабилитроны. Биполярные и полевые транзисторы. Тиристоры и симисторы. Оптроны.

Самостоятельное изучение: п/п на основе карбида кремния; диоды Шоттки; светодиоды; стабилитроны; фотодиоды; п/п резисторы(позисторы и термисторы).

Лекция 1. Полупроводниковые материалы. Электронно-дырочный

p-nпереход. Полупроводниковые диоды: выпрямительные диоды; диоды Шоттки

1.1. Элементы зонной теории твердого тела.

Согласно зонной теории твердого тела, уровни энергий электронов расщепляются в зоны. Зоны представляют собой набор возможных уровней энергий. Эти уровни дискретны и расстояния между ними кратны h, где h = 6,6310 ^-34Дж/с - постоянная Планка,- частота электромагнитного излучения.

При переходе электрона с высшего энергетического уровня на низший выделяется квант энергии Е₂- Е₁= h. Для перехода электрона с низшего энергетического уровня на высший ему надо извне сообщить квант энергии h.

У кристаллических веществ уровни энергии внешних электронов расщепляются на две зоны: в валентную зону (валентные электроны) и в зону проводимости (свободные электроны). Число энергетических уровней в каждой зоне велико и примерно равно числу атомов в единице объема (10²³см^-3).

На рис.1.1 изображена энергетическая диаграмма кристаллического вещества. На этой диаграмме Е_v– «потолок» валентной зоны, Е_с- «дно» зоны проводимости, Е₀- уровень энергии электронов в вакууме (работа выхода электронов), Е_g- ширина запрещенной зоны, Е_Ди Е_А- уровни энергии электронов атомов доноров и акцепторов, Е_ф– уровень Ферми (средняя энергия электронов в кристалле, вероятность заполнения уровня которой равна 0,5). Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона, в которой не могут находиться энергетические уровни электронов.

Ширина запрещенной зоны Е_gравна энергии, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он стал свободным, то есть перешел из валентной зоны в зону проводимости: Е_g=E_c-E_v.

В металлах запрещенная зона практически отсутствует, и энергетические уровни зоны проводимости и валентной зоны смыкаются. Уровень Ферми Е_флежит где-то посередине. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеют энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости не менее одного электрона. Число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет несколько эВ. Поэтому при нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень незначительное число электронов, в следствие чего диэлектрики обладают ничтожно малой проводимостью.

У полупроводников зонная диаграмма похожа на зонную диаграмму диэлектриков, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков и составляет около одного эВ. Поэтому при низких температурах полупроводники обладают малой проводимостью, но уже при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны E_g- один из основных параметров материала полупроводника. Ширина и структура зон определяют все свойства полупроводников. Другой способ изображения зон - так называемая зонная диаграмма, представляющая зависимость энергии электронов от волнового числаk, которое связанно с импульсом электрона: p = hk/2π.

Импульс электрона можно найти через эффективную массу и энергию электрона:

p = E² /2m,

откуда E² = k (hm/π).

Рис. 1.2. Зонные диаграммы непрямозонных (а)

и прямозонных (б) полупроводников

На рис. 1.2 показаны зонные диаграммы кремния и германия (а) и арсенида галлия (б). Зонные диаграммы Si и GaAs отличаются тем, что у GaAs максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости соответствуют К = 0. Такие полупроводники называются прямозонными. У Si экстремумы зон не совпадают и соответствуют разным значениям волнового числа. Такие полупроводники называются непрямозонными.