Методическое пособие для студентов заочного факультета

по изучению предмета

«Физические основы электроники»

С.-Петербург

2007г.

Введение

Электроника является одной из самых современных технологий, во многом определяющей уровень развития страны.

Электроника- это научно- техническое направление, охватывающее проблемы исследования, конструирования и применения электронных приборов.

Предмет «Физические основы электроники» посвящен изучению принципа действия электронных приборов. Данные устройства широко применяются в технике, включая электрический транспорт. Использование электронных приборов позволяет создавать электротехнические устройства, предназначенные как для изменения электрических параметров силовых устройств (преобразователи электроэнергии), так и для обработки информации (электронно-вычислительные машины), приема и передачи информации с помощью радиоволн (радиоприемники, передатчики), и т.д.

Без использования электронных, большей частью полупроводниковых приборов, невозможно создание экономичной энергетической системы, предназначенной для обеспечения электрической тяги на железнодорожном транспорте.

Электроника условно классифицируется следующим образом:

Информационная электроника область использования электронных приборов для передачи , обработки и хранения информации ( радиосвязь, компьютеры, системы автоматического управления)

Силовая электроника – раздел электроники, посвященный использованию преобразователей электроэнергии – устройств для изменения параметров электроэнергии.

Электронные приборы – это электрические устройства, имеющие в отличие от обычных проводников и диэлектриков (изоляторов) несимметричную либо управляемую проводимость. Эти свойства обусловлены физическими процессами протекания тока из электрических зарядов, преимущественно электронов, внутри вещества, в вакууме, либо в газовой среде.

Электронные приборы классифицируются следующим образом:

В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые приборы, как наиболее дешевые и надежные. До развития полупроводниковой технике на электрическом подвижном составе также широко использовались газонаполненные ртутные приборы – в основном тиратроны и игнитроны.

В связи с тем, что в настоящее время повсеместно используются именно полупроводниковые приборы, в данном пособии рассмотрены преимущественно разделы, связанные с полупроводниковой техникой.

1. Проводимость полупроводников

Электрический ток в веществе возникает при перемещении заряженных частиц, например электронов, в одном направлении под действием электрического поля. При этом, как говорят, происходит «перенос заряда».

Различные вещества проводят ток по-разному, и этим определяется их проводимость [2, стр.18].

В зависимости от электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы с проводимостью 10⁶ - 10⁷ См/м), изоляторы (диэлектрики) с проводимостью10^-7 – 10^-8 См/м, и полупроводники, занимающие промежуточное положение.

Полупроводники, являющиеся основой для конструирования одноименных приборов, имеют значительно отличающийся от металлов тип проводимости. Это связано с внутренним строением полупроводников, представляющих собой кристаллы. В кристалле электроны соседних атомов, находящиеся на внешних орбитах образуют парно - ковалентные связи. Данные электроны обладают наибольшей энергией и могут участвовать в создании проводимости.

Каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, обладает вполне определенной энергией, определяемой его энергетическим уровнем. (называется также «дискретный спектр энергий»). максимальной величиной энергии в спектре является энергия ионизации, при достижении которой электрон становиться свободным (ионизацией называется процесс превращения атомов и молекул в ионы, т.е. заряженные частицы).

Энергетические уровни отдельного атома приведены на рис.

При образовании твердого тела межатомные расстояния сокращаются. При этом разрешенные энергетические уровни превращаются в зоны (т.е. разрешенная энергия имеет не какое-либо конкретное значение, а может находиться в некоторых пределах).

Данный процесс проиллюстрирован на рис. 4 На графике Е обозначена как энергия, а d-межатомное расстояние. В кристаллах, в отличие от металлов межатомное расстояние равноd₀. Пересечение вертикальной линии на уровнеd₀с границами зон энергий представляет собой зонную диаграмму полупроводника.

Для иллюстрации процесса проводимости в твердых телах обычно пользуются именно такой энергетической диаграммой, разбитой на отдельные зоны.

Данная диаграмма показывает, какие энергетические уровни может занимать электрон в атоме конкретного вещества. Дело в том, что в соответствии уравнением Шредингера электроны в атоме могут находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых так называемыми разрешенными зонами. При объединении атомов вещества в решетку (при кристаллизации), как было указано выше, атомы сближаются настолько, что внешние электроны с противоположными спинами образуют пары (становятся общими для двух атомов) и можно условно считать, что атом Германия или Кремния получает по 8 электронов на внешней оболочке (4 своих и 4-от соседних атомов. На рис. 1.3. показаны энергетические зонные диаграммы для проводника (металла), полупроводника и диэлектрика.

В диэлектриках строение вещества таково, что внешние электронные уровни полностью заполнены. Энергия, необходимая для выхода электрона в зону проводимости (ширина запрещенной зоны), очень велика и достигает 10эВ. Такая энергия передана электрону быть не может, вследствие чего диэлектрик обладает малой проводимостью В полупроводниках ширина запрещенной зоны между зоной внешних электронов и зоной проводимости значительно меньше, поэтому электроны могут попадать в зону проводимости под воздействием небольшой энергии. В проводниках (металлах) нижняя граница зоны проводимости лежит ниже верней границы валентной зоны, образуется так называемая «отрицательная запрещенная зона». Так как в данном случае внешний электронный уровень не заполнен полностью, то электроны могут свободно перемещаться между атомами. Это определяет хорошую проводимость металлов.

2. Собственная, донорная и акцепторная проводимость.

2.1. Собственная проводимость.

Собственной называется проводимость чистого полупроводника при реальной температуре. Выше было указано, что при абсолютном нуле полупроводник- это диэлектрик, так как все электроны заняты в создании ковалентных связей. При повышении температуры картина меняется.

Флуктуации в тепловом движении приводят к тому, что часть ковалентных связей разрушается. В результате появляются не связанные с определенными атомами электроны, участвующие в электропроводимости.

Энергия этих электронов соответствует энергии зоны проводимости, которые называются «свободными». Одновременно образуется «Вакансия» (свободное место), иначе называемое дыркой. Заряд «дырки равен заряду электрона, но только он положительный, а у электрона отрицательный. При разрыве соседней ковалентной связи такая вакансия может быть занята электроном, та на месте разрыва возникает новая вакансия «дырка». Направленное перемещение дырок приводит к образованию «дырочного тока», что на самом деле есть перемещение электронов без выхода в зону проводимости. Процесс выхода электрона в зону проводимости с образование «дырки» называется «генерацией».Энергетическое распределение электронов и дырок, образовавшихся в результате описанной тепловой генерации, рассматривается в статистической физике и описывается распределением Ферми – Дирака математическое выражение которого имеет вид:

,

(2.1)

где f(E)- вероятность заполнения электроном некоторого уровня с энергией Е;

Е_f- энергия уровня Ферми;

Т- абсолютная температура;

к- постоянная Больцмана.

Под уровнем Ферми понимается такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами равна половине. Особенно это понятие необходимо для рассмотрения физики полупроводников, связанных с энергетическим распределением электронов при термодинамическом равновесии кристаллической решетки.

В состоянии термодинамического равновесия процесс тепловой генерации электронов и дырок уравновешивается обратным процессом, который называется «рекомбинация». (при рекомбинации выделяется квант энергии, например света, что лежит в основе конструкции некоторых полупроводниковых приборов. Ширина запрещенной зоны полупроводников при комнатной температуре значительно больше средней (прилагаемой к каждому атому) энергии теплового движения, равной всего 0,026 эВ. Поэтому собственнаяпроводимость чистого полупроводника при комнатной температуре будет очень мала, так как мало пар носителей.

2.2. Дрейф и диффузия носителей зарядов.

При воздействии на кристалл полупроводника внешнего электрического поля, например от постороннего источника, свободные дырки и электроны начинают перемещаться во встречных направлениях. Так как перемещение зарядов принято называть электрическим током, то такой ток называется дрейфовым, а само перемещение - дрейфом (по аналогии с судами на море, на которые воздействует ветер).

Существует и другая разновидность тока в полупроводнике – диффузионный ток.

Если в одной из частей полупроводника возник избыток каких-либо носителей (например. дырок) , то они стремятся распределиться равномерно по всему объему. Такую диффузию не следует путать с химической диффузией, так как в этом случае атомы не перемещаются, а происходит перенос только носителей заряда.

3. Электронный и дырочный тип проводимости.

Переход электрона в зону проводимости является кратковременным процессом. После этого электрон возвращается в валентную зону. Поэтому собственная проводимость полупроводников очень мала. Чтобы повысить её, а также, чтобы получить приборы с нелинейной проводимостью в полупроводники вводят примеси, отличающиеся от исходного материала

Добавление к кристаллам IVгруппы атомовIIIилиVгруппы (такой процесс называется «легирование») существенно изменяет картину проводимости полупроводника.

Допустим, что в кристаллическую решетку четырехвалентного Германия внесены атомы пятивалентного фосфора Р. Каждый атом Geсвязан ковалентными связями с соседними атомами. Замещение атома германия атомом Фосфора приводит к тому, что один из валентных электронов не находит пары для образования ковалентной связи. Этот электрон образует оболочку называемую «Примесный ион», которая охватывает несколько соседних атомов решетки. В его движении влияние решетки выражается в замене массы на эффективную массу. Энергия взаимодействия иона с примесью значительно уменьшается, и чтобы оторвать электрон ему достаточно сообщить энергию всего 0,01эВ. чтобы оторвать от атома примеси и превратить в свободный электрон. Уровень Ферми, т.е. уровень энергии которую с большой вероятностью имеют половина электронов примеси располагается на 0,01эВ ниже зоны проводимости ( см. рис. 1.4.

Этой энергии достаточно, чтобы даже при небольшом внешнем электрическом поле возник электрический ток. Аналогичный процесс происходи и с акцепторной примесью, за исключением того, что уровень Ферми дырочного полупроводника лежит ближе к валентной зоне (на рис3.4), а перемещение дырок происходит в валентной зоне.

Таким образом, в акцепторных и дырочных полупроводниках обеспечивается электронная или дырочная электропроводность. величина которой значительно превышает электропроводность собственного полупроводника. В дырочном проводнике превалируют дырки, однако есть и электроны в небольшом количестве. Такие носители называются «неосновными».

2.4. Образование Р-Nперехода

Контакт двух полупроводников имеющих разный тип проводимости PиN, при котором основная структура кристалла не нарушается, называется переходом. Иногда употребляют термин «Электронно-дырочный переход»

Соединить просто два полупроводника с разным типом проводимости невозможно или очень сложно (вследствие больших дефектов в зоне контакта). Поэтому должен быть создан один кристалл с непрерывной кристаллической решеткой, в которой область дырочной проводимости сменяется электронной. Иногда эту поверхность раздела называют металлургической границей. В зависимости от скорости по расстоянию (градиент) концентрации, переходы бывают резкие и плавные. В зависимости от степени легирования Р и Nобласти переходы могут быть симметричными и несимметричными.

Рассмотрим образование симметричного P-Nперехода.

До соединения частей с PиNпроводимостью зонные диаграммы были неодинаковы, так как уровень Ферми электронного полупроводника ближе к зоне проводимости, а у дырочного - ближе к валентной зоне (рис. 3.4.)

При соединении областей (выращивании структуры) картина меняется. Как только в одной кристаллической решетке в одном месте возникает избыток электронов, а в другой избыток дырок, то сразу возникает диффузионный ток (см. выше). Дырки стремятся равномерно распределиться по всему кристаллу и диффундируют в n- область, а электроны вследствие диффузии проникают в область дырок (как и прежде следует заметить, что это только диффузия заряженных частиц, а не атомов)

перехода, в которой диффузионный и дрейфовый токи равны. Аналогичный процесс происходит с дырками. На рис.3.5. представлено начало процесса перехода электронов и дырок в смежные области, где они являются неосновными.

Однако полного выравнивания не происходит. Уйдя в Р - область, электроны оставляют на месте, в узлах кристаллической решетки ядра примести с избыточным положительным зарядом. Пока электрон был рядом, этот заряд компенсировался. Теперь же «оголенные» ядра атомов примеси тянут электроны обратно (возникает дрейфовый ток). В итоге образуется узкая зона, в которой электроны, попавшие в дырочную область ре комбинировали с дырками, т.е. перешли на валентный уровень и перестали быть свободными носителями заряда. Аналогичный процесс произошел и с дырками. (рис.3.6.)

*Примечание: конечно нельзя считать дрейф и диффузию силами, так как они предполагают перемещение электронов. Однако для условности можно принять, что электрон в зоне перехода стоит на месте

На рис.3.6. представлена энергетическая и потенциальная диаграмма а также структура перехода. При этом уровни Ферми становятся одинаковыми, (вследствие равенства термодинамического равновесия единого вещества) а энергетические зоны искривляются.

При подаче на P-Nпереход внешнего напряжение можно уменьшать или увеличивать потенциальный барьер, образовавшийся естественным способом за счет диффузии. Если Р- область подключить к положительному полюсу, аN- область – к отрицательному, то такое включение перехода называется прямым, или пропускным. При этом величина внутреннего потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения. При этом создаются условия для диффузии дырок и электронов в смежные области, т.е. через переход течет ток. Приобратном подключении потенциальный барьер увеличивается, обедненная зона расширяется и ток уменьшается (проводимость падает).