23

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Красноярский институт железнодорожного транспорта – филиал ГОУ ВПО Иркутский государственный университет путей

сообщения

А. В. Казанцев, В. Б. Молодецкий, А. И. Орленко

Электронная техника и преобразователи Учебное пособие

по дисциплине «Электронная техника и преобразователи»

для студентов специальностей 190303 «Электрический транспорт железных дорог», 190401 «Электроснабжение железных дорог»

Часть 1

Красноярск 2009 г.

УДК 621.311

Казанцев А. В., Молодецкий В. Б., Орленко А. И. Электронная техника и преобразователи: учебное пособие.– Красноярск: КрИЖТ, 2009.– Ч. 1.– 73 с.

Рецензенты:

Л.А. Астраханцев, д.т.н., проф. ИрГУПС;

А.Н. Ловчиков, д.т.н., проф. СибГАУ

Курс лекций предназначен для студентов специальностей 190303 «Электрический транспорт железных дорог» и 190401 «Электроснабжение железных дорог» при изучении теории по дисциплинам «Электронная техника и преобразователи ЭПС», «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» по разделу «Элементы преобразовательной техники». Содержит информацию о полупроводниковых приборах, элементах оптоэлектроники, усилителях переменного и постоянного тока и интегральных микросхемах.

Редактор

Корректор

Темплан 2002, поз.

Подп. В печать

Офсетная печать. Усл. печ. л. 4. Уч.- изд. л.4. Бумага тип

Красноярский институт железнодорожного транспорта, 2009

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ, ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

(2 часа)

План

1. Предмет дисциплины и ее задачи.

2. Полупроводники. Структура полупроводников и типы проводимостей.

3. Свойства электронно-дырочного (p–n) перехода. Физические процессы в p–n–переходе при включении его в электрическую цепь.

Введение, основы физики полупроводников

Электроника – область науки и техники, в которой изучаются физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, а также свойства устройств и систем с их использованием.

Электропроводность полупроводников

Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

– диэлектрики.(n ≈ 10 ) эл/см

– полупроводники.10¹²<n<10¹⁶ эл/см³

– проводники(n ≈ 10¹⁹эл/см³).

Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток.

Полупроводники – нечто среднее между проводниками и изоляторами. Они имеют жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Их структура напоминает кристаллическую решётку алмаза. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры окружающей среды, светового потока, примесей, ионизирующего облучения. Для создания полупроводниковых приборов наиболее часто используются следующие полупроводники:

1) 4 – валентная группа (Ge(гелий), Si(кремний), AsGa(арсенид галия)),

2) 3 – валентная группа (Al(алюминий),B(бор),In(индий)),

3) 5 – валентная группа (P(фосфор), As(мышьяк), Sb(сурьма))

Все полупроводники можно разделить на две группы:

1. Чистые (собственные, беспримесные) – вещества, состоящие из атома одного сорта.

2) Примесные полупроводники. В них часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта.

Собственные полупроводники

Атомы полупроводников располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, которая возникает за счет обобществления атомами электронов соседнего атома (ковалентная связь).

В чистом полупроводнике, при температуре абсолютного нуля (Т=0, по Кельвину), все электроны уходят на образование ковалентной связи и свободных электронов нет. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои ковалентные связи, становясь свободными. В результате образуются два носителя свободного заряда: электрон (отрицательный заряд) и то место, которое он покинул – дырка (вакансия). Дырка имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Итак, при повышении температуры, в полупроводнике появляются свободные носители зарядов, причем концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно–дырочной пары. При движении электронов по объёму кристаллической решётки некоторые из них могут занимать место дырки. При этом электрон и дырка уничтожаются – это рекомбинация электронно–дырочной пары.

Примесные полупроводники

Чистые полупроводники используются редко, так как их проводимость сильно зависит от температуры. Для создания полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием, а примесные полупроводники – легированными. В зависимости от характера введенной примеси различают два типа примесных полупроводников: n–типа и p–типа.

Полупроводник n–типа

Полупроводник n–типа получают путём введения в 4–валентный полупроводник атомов 5–валентной примеси. Каждый атом такой примеси создает один свободный электрон. Такая примесь – донорная. В результате введения такой примеси полупроводник имеет вид, представленный на рисунке 1.1.

Электроны – основные носители, а дырки – неосновные. Примесный полупроводник – полупроводник с электронной проводимостью.

В полупроводнике n–типа два основных носителя заряда.

Рис. 1.1. Введение примеси в полупроводник n–типа

Рис. 1.2. Носители заряда в полупроводнике n-типа

Полупроводник p–типа

Полупроводник p–типа получают путём введения в собственный, 4–валентный полупроводник 3–валентной примеси. Каждый атом такой примеси отбирает электрон от соседнего собственного атома, создавая дырки. Такая примесь – акцепторная. Плоская модель кристаллической решетки:

Рис. 1.3. Введение примеси в полупроводник p–типа

Два основных носителя заряда:

Рис. 1.4. Носители заряда в полупроводнике p–типа

Для создания полупроводниковых приборов используются в основном примесные полупроводники, так как их проводимость определяется концентрацией примеси, а не температурой, освещенностью и так далее.

Токи в полупроводниках. Дрейф и диффузия

В полупроводнике возможны два механизма движения электрических зарядов: 1) Дрейф – движение носителей заряда под действием электрического поля. 2) Диффузия – движение свободных носителей заряда под действием их градиента концентрации, то есть под действием сил, возникающих из–за их неравномерного распределения по объему проводника.

Процесс диффузии характеризуется двумя основными параметрами:

1) Время жизни избыточных, неравновесных носителей заряда. Это время в течении которого под действием сил диффузии, возникшая избыточная концентрация носителей заряда убывает, до выравнивания по всему объёму.

2) Диффузионная длина (ln) – расстояние, на которое проникают избыточные заряды за счет диффузии.

P–n–переход (Электронно–дырочный)

Переходный слой между областями полупроводника, обладающими различными электрическими свойствами называется электрическим переходом.

Основные способы получения p–n–перехода:

1. Сплавной метод (в пластину полупроводника вплавляется металл или сплав, содержащий необходимую примесь).

2. Диффузионный метод.

Образование p–n–перехода в равновесном состоянии

На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p–области возникает отрицательный заряд (Рис. 1.4), образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φк» и электрическое поле с напряженностью Ек. Это поле препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p–n–переход.

Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p–n–областей – p–n–переход.

Рис. 1.4. P–n–перехода в равновесном состоянии

P–n–переход считается равновесным, если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к нему. В равновесном состоянии через p–n–переход движутся два встречных потока зарядов (два тока):

1. Дрейфовый ток неосновных носителей заряда

2. Диффузионный ток, связанный с основными носителями заряда.

Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».

Ipn = Iдиф + Iдр = 0.

Это соотношение называют условием динамического равновесия токов в p-n-переходе.

P–n–переход при внешнем напряжении приложенном к нему

Внешнее напряжение, приложенное к p–n–переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p–n–переход переходит в неравновесное состояние.

1) P–n–переход считается смещенным в обратном направлении (рис.1.5), если к p–области приложен «-», а к n–области – «+» внешнего источника напряжения.

Рис.1.5. Схема смещения p–n–перехода

Напряжение направлено согласно с φк, а потому результирующее напряжение на p–n–переходе равно их сумме: Upn = U + φк. Это увеличивает напряженность E электрического поля, ширина p–n–перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p–n–переход протекает обратный ток:

Ipn = Iобр = I0 – это тепловой ток неосновных носителей заряда I0. Iдиф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от температуры окружающей среды и материала p–n–перехода.

2) P–n–переход смещен в прямом направлении (Рис.1.6), если к p приложен «+», а к n – «-».

Такое напряжение направлено встречно φк, а потому результирующее напряжение на p–n–переходе уменьшается до величины: Upn = φк -U, это уменьшает E электрического поля, p–n–переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p–n–переход протекает прямой ток: Ipn = Iпрямой = Iдиф (ток диффузии основных носителей заряда).

Рис.1.6. Схема смещения p–n–перехода

При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.