Основы теории полупроводников 1

В начале 20 века возникла электроника – наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации. В 60-х годах 20 века сформировалось одно из наиболее перспективных направлений полупроводниковой электроники – микроэлектроника.

Микроэлектроника (интегральная электроника) – область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре блоков (узлов) и устройств, выполненных на интегральных

схемах (ИС) ,Физика компьютеров 2011 Л.А.

т.е. это наука о формировании потоков

Золоторевич

Основы теории полупроводников 3

Известно, что вещества, существующие в

природе, состоят из атомов.

Атом состоит из положительно заряженного

ядра и окружающих это ядро электронов.Суммарный заряд всех электронов равен по

абсолютной величине заряду ядра. Поэтому полный заряд атома равен нулю – атом нейтрален.

Атом, потерявший хотя бы один электрон или

захвативший лишний электрон, называется ионом.

Атом с недостающим электроном имеет

положительный заряд, а атом с лишним электроном – отрицательный заряд.

Электрон – это стабильная элементарная частица материи, обладающая отрицательным электрическим зарядом,

равным: Физика компьютеров 2011 Л.А.

Золоторевич

-1,6 10-19Кл (Кл – Кулон – единица электрического заряда по

Основы теории

4

Электроны как одни из структурных единиц материи входят в состав всех более или менее крупных систем, построенных из атомов, будь то твердые тела, жидкости или

газы.

Но электроны могут существовать и в виде свободных частиц. Например, в космосе наряду с другими элементарными частицами присутствуют и электроны, при бета-распаде радиоактивное атомное ядро испускает электроны.

В свободном состоянии электроны могут

находиться только в вакууме (когда поблизости нет частиц, способных их

притягивать).

Под воздействием внешней энергии (тепла,

света или ионизирующего излучения) твердые тела также способныФизика компьютеровиспускать2011 свободныеЛ.А.

Золоторевич

Протонов в природе столько же как и электронов.

Протоны играют определенную роль в электротехнике

(например, входя в состав ионов, они участвуют

в

реакциях, протекающих в свинцовых аккумуляторах).

Физика компьютеров 2011 Л.А.

Недостаток протоновЗолоторевичв том, что они в 2000 раз

Проводники, изоляторы,

6

Направленное движение заряженных частиц назвали электрическим током. Все вещества по способности проводить электрический ток делятся на проводники, полупроводники и изоляторы (диэлектрики).

Проводник – вещество, которое очень хорошо проводит электрический ток (удельная электропроводность более 102/(ом см)). К проводникам относятся металлы.

Полупроводник – вещество, электрическая проводимость которого увеличивается с ростом температуры и является промежуточной между проводимостями проводников и изоляторов. Изолятор – вещество, которое очень плохо проводит электрический ток (удельная электропроводность менее 10-10/(ом см)).

Электрическая проводимость (электропроводность)Физика компьютеров– свойство2011веществаЛ.А. проводить под действием неизменяющегосяЗолоторевич электрического поля

7

Проводники, изоляторы, числом

Металлы и полупроводники различаются

имеющихся в них свободных электронов.

В металлах их количество очень велико: на один атом металла приходится почти по одному свободному электрону (их плотность составляет около 1022 на 1см3).

В полупроводниках имеется сравнительно мало свободных электронов: на каждые 103-1010 атомов приходится один свободный электрон (их плотность равна 1012-1019 на 1см3). Отсюда понятно, что при значительно меньшем числе электронов в полупроводнике по сравнению с металлами оказать внешнее электрическое воздействие при управлении потоками электронов легче. Поэтому для электронных приборов полупроводники подходят больше, чем металлы.

Для того, чтобы свободные электроны в

Физика компьютеров 2011 Л.А.

металле или в полупроводникеЗолоторевичобразовали

9

В современной технике наиболее важным

является класс электронных полупроводников

(германий, кремний и др.), у которых под влиянием теплового или других видов возбуждения высвобождаются электроны.

Электропроводность чистых кристаллов полупроводников обусловлена наличием определенного числа электронов, освобожденных под действием данной температуры, и образованием “дырок” – нескомпенсированных положительных зарядов ионов в тех местах кристаллической решетки, из которых были высвобождены электроны.

В освобожденную таким образом “дырку” может перейти находящийся рядом связанный электрон, вследствие чего “дырка” перемещается на

новое место.Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

“Дырки” принято рассматривать как

Примесные

10

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей атомов другого полупроводника

называется собственной электропроводностью.

Электропроводность полупроводника резко

изменяется путем введения в него определенных примесей. При замещении отдельных атомов полупроводника атомами примеси, имеющими большее число валентных электронов, чем атомы исходного полупроводника, остаются лишние электроны, которые легко переходят в свободное состояние и увеличивают электропроводность. Такие примесные полупроводники с увеличенным количеством свободных электронов

называются электронными или n-типа (n-от англ.

слова negative – отрицательный). Если атомы примеси имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы исходного полупроводника, то при замещении примесные атомы легко отбирают от соседних атомов исходного полупроводникаФизика компьютеровнедостающие2011 Л.Аэлектроны. Золоторевичи в

результате увеличивается концентрация “дырок”. Такие