Лекція 1

Тема: Вступ

1. Базові визначення та терміни.

2. Коротка історія розвитку електроніки.

3. Значення електроніки для народного господарства.

1. Електроніка – галузь науки, яка вивчає і, на базі вивчення, застосовує явища, які виникають при проходженні носіїв заряду крізь вакуум чи тверде тіло.

Вказані явища вивчає фізична електроніка. Питаннями застосування вивчених явищ займається технічна електроніка. Промислова електроніка – галузь технічної електроніки, яка займається питаннями застосування електронних приладів у промисловості.

Мікроелектроніка – галузь електроніки, яка займається питаннями зменшення габаритів електронних приладів та зменшення кількості енергії, яку вони споживають.

2. Поняття “електрон”, як слово, виникло ще у стародавній Греції і відповідає значенню “янтар”.

Поняття “електрон” як певна кількість електрики було введено у фізику у 1891 році Джорджом Стоуні (англійським фізиком). Але початком розвитку електроніки вважають 1872 рік, коли російський інженер Лодигін сконструював лампу розжарювання, у якій має місце термоелектронна емісія, тобто виділення електронів з поверхні металу. Це явище у 1883 році відкрив Едісон. На базі вивчення термоелектронної емісії у подальшому були створені електронні лампи, за допомогою яких можна підсилювати електронні коливання або їх генерувати, тобто були створені електронні підсилювачі та електронні генератори.

У 1895 році російський вчений О.С. Попов винайшов радіоприймач. У 1904 році англієць Флемінг створив двохелектродну електронну лампу (діод), за допомогою якої дуже просто перетворюється змінний струм у постійний. У 1907 році американський інженер Лі де Форест створив трьохелектродну лампу (тріод), за допомогою якої вдалося підсилювати електричні коливання та генерувати їх. З цієї дати починається розвиток радіоелектроніки. Можливість генерувати та підсилювати електричні коливання за допомогою напівпровідникових пристроїв була відкрита ще в 1922 році співробітником Нижегородської радіолабораторії О.В.Лосевим.

В 30-х роках групою вітчизняних вчених на чолі з А.Ф.Йоффе було почате широке і систематичне вивчення властивостей напівпровідників.

У 1948 році у США був створений трьохелектродний напівпровідниковий прилад – транзистор. З цього моменту і по наш час продовжується розвиток напівпровідникової радіоелектроніки. Перші промислові зразки транзисторів з’явилися у 1949-1950 роках.

З 1953 по 1960 роки в нашій країні серійно випускалися ЕОМ першого покоління типу БЕСМ-1, “Урал-1”, “Урал-2”..

У 70-х роках були розроблені перші зразки великих інтегральних мікросхем.

3. Значення електроніки пояснюється наступними властивостями електронних пристроїв:

• універсальність;

• висока швидкодія;

• точність;

• чутливість;

• можливість перетворення різних видів енергії;

• великий коефіцієнт корисної дії;

• мала інерційність;

• великий діапазон робочих частот;

• можливість роботи з іншими приладами;

• наочність зображення інформації, тощо.

Лекція 2

Тема: Базові властивості напівпровідників.

1. Електрони у атомі. Основи зонної теорії твердого тіла. Робота виходу електрона.

2. Напівпровідники: визначення, поняття “напівпровідники” з точки зору зонної теорії.

3. Власні та домішкові напівпровідники.

1. У атомах електрони знаходяться на певних орбітах, при цьому деякі орбіти (внутрішні ) заповнені повністю, а деякі (зовнішні) – неповністю. Знаходячись на певній орбіті електрон має певну енергію, якщо він переходить з однієї орбіти на іншу, то він чи випромінює чи поглинає енергію. Кожна орбіта характеризує певний рівень енергії. електрони не можуть знаходитись між орбітами, тобто, вони не можуть мати будь-який рівень енергії. Тому, якщо у якійсь речовині розглядати сукупність атомів, то будемо мати певну кількість рівнів енергії електронів, за допомогою яких можуть бути побудовані так звані енергетичні діаграми. При цьому рівні енергії електронів, які відповідають заповненим орбітам, створюють так звану заповнену зону. Рівні енергії, які відповідають зовнішній чи валентній орбіті, створюють так звану валентну зону (рисунок 2.1).

W

4

3

2

1

0 Х

W-енергія електронів

1-заповнена зона; 3-заборонена зона;

2-валентна зона; 4-зона провідності.

Рисунок 2.1 – Приклад зонної діаграми.

При певних умовах електрони можуть зриватися з валентної орбіти та вільно переміщуватись між атомами. Ці електрони називають вільними. Їх кількість визначає провідність речовини. Рівні енергії, які відповідають цим електронам, створюють на зонній діаграмі зону провідності.

Між валентною зоною і зоною провідності існує заборонена зона, вона відповідає тим рівням енергії, які електрон не може мати, якщо атом знаходиться у сталому стані.

Для того, щоб електрон перейшов з валентної зони у зону провідності треба йому надати таку енергію (певну кількість), щоб він подолав заборонену зону. Цю кількість енергії називають роботою виходу. Вимірюється вона у електрон-вольтах (еV).

В цих же одиницях вимірюється ширина забороненої зони. Від ширини забороненої зони залежать властивості матеріалів. Наприклад, в металах ширина забороненої зони дорівнює 0, тому метали завжди є провідниками. В діелектриках ширина забороненої зони досить велика, більша за 3 еV, тому діелектрики є ізоляторами, вони проводять струм лише у певних умовах.

2. Напівпровідниками називають матеріали, які мають провідність, меншу ніж провідники, але більшу, ніж діелектрики. Іншими словами, напівпровідники – це матеріали, у яких ширина забороненої зони більша, ніж у провідників, але менша, ніж у діелектриків (рисунок 2.2).

1

3

3

2

2

2

3

1

1

а) б) в)

а - зонна діаграма провідника;

б - зонна діаграма напівпровідника;

в - зонна діаграма діелектрика.

Рисунок 2.2 – Порівняльна характеристика провідників, напівпровідників та діелектриків з точки зору зонної теорії.

У теперішній час для побудови напівпровідникових приладів часто використовують наступні напівпровідникові матеріали:

германій Ge;

кремній Si,

а також з’єднання типу А^ІІІВ^V, де А – елемент третьої групи періодичної системи Менделєєва, В – елемент п’ятої групи періодичної системи Менделєєва.

3. За фізичними ознаками напівпровідники поділяються на 2 групи: чисті та домішкові.

Чистими вважають такі напівпровідники, в яких один атом випадкової домішки припадає на 110⁶ атомів напівпровідника. Чисті напівпровідники за своїми властивостями наближаються до діелектриків. Вони не застосовуються для створення напівпровідникових приладів. Чисті напівпровідники є базою для створення домішкових напівпровідників.

Домішковими називаються такі напівпровідники, до складу яких за спеціальною технологією додані так звані керовані (спеціальні) домішки. В залежності від властивостей домішок змінюються властивості домішкових напівпровідників.

В залежності від впливу домішок на чистий напівпровідник їх поділяють на 2 групи: донорні і акцепторні.

Донорними називаються такі домішки, валентність яких на 1 більша, ніж валентність чистого напівпровідника. Германій і кремній – це чотирьохвалентні елементи і, якщо додати атоми п’ятивалентної домішки, то у кожному атомі домішки один валентний електрон залишається вільним. За рахунок цього у напівпровіднику виникає електронна провідність чи провідність n-типу (negative).

Акцепторними називають такі домішки, валентність яких на 1 менше, ніж валентність чистого напівпровідника.

При їх внесенні у напівпровідник виникає так звана діркова провідність чи провідність р-типу (positive). У цьому випадку носіями заряду є дірки. Дірка – це незаповнений ковалентний зв’язок (рисунок 2.3).

Si Al

дірка

Рисунок 2.3 – Механізм утворення діркової провідності.

У процесі роботи напівпровідника дірки заповнюються електронами з сусідніх ковалентних зв’язків, тобто дірки переміщуються назустріч електронам, тому їх вважають позитивними зарядами.