3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники

3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными

На заре развития электроники основой элементной базы были электровакуумные приборы (радиолампы), использующие явление протекания тока через вакуумный промежуток между двумя электродами: катодом и анодом. Электропроводность обеспечивалась за счет движения в этом промежутке электронов, испускаемых раскаленным катодом при наличии положительной разности потенциалов анод-катод.

Основными недостатками радиоламп являются:

1) большие размеры, которые становятся все более ощутимыми при построении сложных электронных устройств (таких, например, как компьютер), содержащих десятки – сотни тысяч таких элементов;

2) низкий срок службы (выгорание катода, нарушение вакуума);

3) низкая экономичность (анодное напряжение в несколько десятков – сотен вольт): необходимость постоянно поддерживать катод в раскаленном состоянии;

4) низкая технологичность изготовления: обеспечение высокого вакуума, сварка миниатюрных деталей и т. д.

Ситуация революционным образом изменилась, когда была выявлена возможность управления электропроводностью полупроводников, в которых все физические процессы проходят внутри твердого тела. Твердотельная технология дает возможность изготовлять электронные элементы микроскопических размеров, позволяющие выполнять сложные электронные схемы, содержащие десятки тысяч компонентов на тонкой пластинке площадью в несколько квадратных миллиметров. Полупроводниковые компоненты не имеют ограничений на срок годности, способны функционировать при ничтожно малом потреблении энергии. Именно твердотельная технология обеспечила внедрение электронных устройств во все сферы современной жизни.

3.2. Физические основы электропроводности полупроводников

Полупроводники, в отличиe от металлов, в чистом виде при термодинамической температуре 0 К близки по свойствам диэлектрикам, т. е. электропроводность практически равна нулю^*. И лишь за счет введения специальных примесей, а также за счет высокой напряженности электрического поля электропроводность может быть существенно увеличена.

Физическую модель полупроводника описывает зонная теория. Ее основой являются известные постулаты физики твердого тела о движении электронов вокруг атомного ядра на дискретных орбитах, определяемых энергией электрона (разрешенных энергетических уровнях). Такие электроны жестко «привязаны» к конкретному атому и не могут свободно передвигаться, т. е. быть носителями тока.

При достаточном энергетическом воздействии электрон может приобрести дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы «оторваться» от связи с конкретным атомом и стать «свободным».

Свободные электроны способны участвовать в электропроводности или под воздействием градиента концентрации (электрохимического потенциала) – диффузии, или за счет градиента электрического поля (электрического потенциала) – дрейфа.

В твердом теле разрешенные энергетические уровни отдельных электронов образуют разрешенные зоны, состоящие из дискретных уровней отдельных электронов.

Разрешенные зоны разделены друг от друга запрещенными зонами (значениями энергии, которыми электроны обладать не могут).

Проводимость в твердом теле возможна лишь при переходе электрона на ближайший (более высокий) разрешенный энергетический уровень. Такие уровни имеются в «верхней» разрешенной зоне, которая называется зоной проводимости (conduction band). Ближайшая к ней («нижняя») разрешенная зона при температуре абсолютного нуля является полностью заполненной и называется валентной зоной (valence band).

Электропроводность полупроводника определяется взаимодействием этих двух зон.