А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.С. Низов

А.Н. Штин

К.Г. Шумаков

ЭЛЕКТРОНИКА

Курс лекций по дисциплине «Электроника» для студентов специальностей

190901 «Системы обеспечения движения поездов» и 140400 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения

Екатеринбург Издательство УрГУПС 2014

УДК 621.382.2/.3 Н61

Низов, А. С.

Н61 Электроника : курс лекций / А. С. Низов, А. Н. Штин, К. Г. Шумаков. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 135, [1] с.

ISBN 978-5-94614-280-9

Курс лекций содержит необходимый материал для успешного освоения дисциплины «Электроника». Перечень лекций соответствует рабочей учебной программе по данной дисциплине и отвечает требованиям ФГОС.

Пособие предназначено для студентов дневного и заочного обучения по специальностям 190901 – «Системы обеспечения движения поездов» по специализации «Электроснабжение железных дорог» и 140400 – «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электроснабжение»

Текстовая часть оформлена в соответствии с ГОСТ 2.105–95 «ЕСКД. Общие требования к текстовым документам».

УДК 621.382.2/.3

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Авторы: А. С. Низов – профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС; А. Н. Штин –доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС;

К. Г. Шумаков – доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС

Рецензенты: И. А. Пятецкий – начальник ДЭЛ управления электрификации и электроснабжения Свердловской ж. д. – филиала ОАО «РЖД»; Л. А. Фролов – старший преподаватель кафедры «Элек-

троснабжение транспорта»

ISBN 978-5-94614-280-9 © Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

4

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. СИЛОВЫЕ ДИОДЫ

1.1 Зонная теория проводимости твердых тел

Согласно современным представлениям о строении материи, все вещества состоят из атомов. Каждый атом содержит положительное ядро и вращающиеся вокруг него по разным орбитам электроны. Электроны, которые располагаются на внешней орбите, называются валентными. Если электрон вращается только вокруг одного ядра, то такую связь электрона и ядра называют валентной. Если электрон вращается по общей орбите между двумя соседними ядрами, то такую связь называют ковалентной (приставка «ко-» обозначает совместность действия, объединение). Электроны, покинувшие свою орбиту и свободно перемещающиеся в веществе, называются свободными. Они участвуют в проведении электрического тока.

Все вещества по отношению к электрическому току делятся на: изоляторы, проводники и полупроводники.

Для пояснения отличительной особенности проводимости этих веществ используют зонную теорию, согласно которой электроны, вращаясь вокруг своего ядра на разных орбитах, обладают различной энергией.

Уровень энергий, в котором находятся валентные электроны, образуют валентную зону (рисунок 1.1). Уровень энергий, в котором находятся свободные электроны, участвующие в проводимости, образуют зону проводимости. Валентная зона и зона проводимости разделяются запрещенной зоной.

В изоляторах все валентные электроны находятся на своих орбитах в валентной зоне, а в зоне проводимости электронов нет (рисунок 1.1, а). Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости ему необходимо преодолеть запрещенную зону. А это возможно только в том случае, когда электрон получает достаточно большую величину энергии Е.

В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, и при нормальных атмосферных условиях все валент-

5

ные электроны являются свободными и могут участвовать в проводимости (рисунок 1.1, б).

Полупроводники, как и изоляторы, имеют запрещенную зону (рисунок 1.1, в), но толщина ее значительно меньше, поэтому даже небольшая величина энергетического воздействия на валентный электрон (повышение температуры, световой поток) переводит его в зону проводимости. Однако число свободных электронов в полупроводниках на несколько порядков меньше, чем в проводниках (в 1 см3 содержится электронов: в металлах — около 1022, а в полупроводниках — около 1010).

Рисунок 1.1 – Энергетические зоны изолятора (а), проводника (б) и полупроводника (в)

Таблица 1.1 – Значения ширины запрещенной зоны различных материалов

1.2 Собственная, электронная и дырочная проводимость полупроводников

1.2.1 Собственная проводимость

Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является элемент четвертой группы таблицы Менделеева крем-

6

ний (Si), составляющий около 30 % земной коры. Рассмотрим на его примере механизм проводимости чистых полупроводников.

Атомы кремния на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле кремния является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рисунок 1.2). Валентные электроны в кристалле кремния связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах, поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле кремния все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит (рисунок 1.2, а).

Рисунок 1.2 – Электронные связи в кристалле кремния при температуре Т = 0 К (а) и образование электронно-дырочной пары

при комнатной температуре (б)

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов получает энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. В кристалле возникают свободные электроны n (negative — отрицательный). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами (рисунок 1.2, б). Эти вакансии получили название дырок p (positive — положительный). Они могут рассматриваться как частицы с зарядом, равным заряду электрона, но с противоположным (положительным) знаком.

Рассмотрим процесс образования электронно-дырочной пары на примере рисунка 1.2, б. Допустим, что при повышении температуры произошел разрыв ковалентной связи в кристалле кремния.

7

В результате этого образовался электрон Oª , отрицательно заряженная частица, и его пустое место – дырка Ȫ, которое можно счи- тать положительно заряженной частицей (рисунок 1.2, б). Электрон Oª начинает движение по кристаллу. Он является свободной частицей, которая может участвовать в проводимости. Дырка Ȫ начинает притягивать электроны соседних атомов. Какой-то из них, напри- мер Oª, разрывает свою ковалентную связь и заполняет дырку Ȫ, тем самым ликвидируя ее. На месте Oª образуется новая дырка – Ȫ, которая начинает притягивать другие электроны. Таким образом, как это показано на рисунке 1.2, б, пустое место электрона (дырка) перемещается от Ȫ к Ȫ. Это явление может рассматриваться как движение положительного заряда, который также может участвовать в проводимости.

При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой восстанавливается электронная связь между атомами кремния. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. При отсутствии электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если к полупроводнику приложить внешнее напряжение UА, то

вупорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Электроны будут двигаться к «+», а дырки – к «–» источника напряжения. Поэтому ток в полупроводнике складывается

из электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике рав-

на концентрации дырок: Nn = Np. Такое соотношение соответствует проводимости только чистых (то есть без примесей) полупроводников. Она называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется

взависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает, и при температурах, близких к абсолютному нулю, оно стремится к нулю. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает, и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами. Это говорит о том, что у полупроводников концен-

8

трация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры.

1.2.2 Примесная проводимость

В кристалле полупроводника можно создать искусственным путем такие условия, при которых число электронов не будет равно числу дырок и, следовательно, электропроводность его будет вызываться движением электрических зарядов преимущественно какого-либо одного знака: либо электронов, либо дырок. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника — в тысячи и даже миллионы раз. Так, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве всего 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление полупроводника более чем в 105 раз.

1.2.2.1 Примесная электронная проводимость Полупроводниками n-типа называются полупроводники с избыт-

ком электронов — отрицательно заряженных частиц. Для их получения необходимо в кристалл полупроводника четвертой группы внедрить элементы пятой группы – мышьяк (As) или сурьму (Sb).

Изменения в кристаллической решетке кремния при введении примесей мышьяка (As) показаны на рисунке 1.3. Здесь и далее электроны в ковалентных связях не показаны.

Рисунок 1.3 – Кристаллическая решетка кремния (Si) с введенными атомами мышьяка (As) — полупроводник n-типа

При введении мышьяка в кристалл кремния четыре валентных электрона мышьяка вступают в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается незанятым. Малейшее воздействие световых или тепловых лучей приво-

9

дит к тому, что электроны отрываются от ядер, образуя свободные электроны O¨ — O¨ , а атомы мышьяка, из-за отсутствия электронов, превращаются в положительно заряженные ионы И1 — И3 (рисунок 1.3). При этом весь кристалл полупроводника остается электрически нейтральным.

Возможны также разрывы ковалентных связей между основными атомами кремния, при этом образуются электроны Oª и дырки

Ȫ собственной проводимости (рисунок 1.3).

Таким образом, в полупроводниках n-типа присутствуют:

1)электроны O¨, которые получены добавлением примеси, их число достаточно велико и они в основном осуществляют проводимость, которая в данном случае называется примесной электронной проводимостью;

2)электроны Oª, которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости;

3)дырки Ȫ, которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости.

Так как в полупроводниках n-типа число электронов значительно превышает число дырок (Nn >> Np), то основными носителями

вних являются электроны, неосновными — дырки.

Примеси, вызывающие избыток электронов, называются донорными (донор – поставщик).

При приложении внешнего напряжения UА к n-полупроводнику он ведет себя как обычный резистор с сопротивлением несколько большим сопротивления проводников. Электроны nП и nС движутся к «+», а дырки pС — к «–» источника напряжения.

1.2.2.2 Примесная дырочная проводимость

Для получения полупроводников p-типа с избытком дырок в кристалл полупроводника четвертой группы вводят примеси элементов третьей группы — индий (Jn) или галлий (Ga). Изменения в кристаллической решетке кремния при введении примесей индия (Jn) показаны на рисунке 1.4.

Три валентных электрона индия вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния, а четвертая связь оказывается незаполненной. В результате разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки) Ȩ — Ȩ (рисунок 1.4). На эти

10