Введение

Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых эти взаимодействия используются для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранении информации.

Электроника - это область науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, разработки и применения явлений, работа которых основана на протекании электрического тока в твердых телах (полупроводники, металлы и диэлектрики), в п/п вакууме, газах, жидких средах, плазме, а также на границах их раздела.

С помощью технической электроники решаются проблемы: генерирования, усиления, преобразования, формирования электрических сигналов выполнения логических операций.

Электропроводность полупроводников

Полупроводник - вещество, занимающее промежуточное положение по электропроводности между Ме и диэлектриком. При комнатной температуре удельное сопротивление порядка от 10^-4 до 10¹⁰ Ом/см. У диэлектриков до 10¹⁶ Ом/см. У металлов до 10^-3 Ом/см(Al,Ag,Au-самые распространенные). На Земле полупроводников больше чем металлов. Диэлектрик песок самый распространенный в оптовой электронике.

Основные положения теории электропроводности. Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев, определяемых их энергией. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергетический уровень.

При образовании молекул между отдельными атомами действуют различные типы связей. Для полупроводников наиболее распространенными являются ковалентные связи, образующиеся за счет обобществления валентных электронов соседних атомов.

Рис 1. Структура связей атома Si в кристаллической решетке.

Структура кристалла никогда не бывает идеальной ни в объеме, ни тем более на поверхности. Обычно в процессе производства нарушается периодичность кристаллической решетки, появляются разнообразные дефекты. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефект по Френкелю). Это дефекты точечного типа (рис. 2 а, б).

а) б)

Рис.2 а) Дефект Шоттки - отсутствие одного атома. б)Дефект Френкеля – когда, например, атом кремния заменился атомом алюминия.

Полупроводник чистый – плотность атомов ~ 10¹³

Полупроводник с высокой полупроводимостью – плотность атомов ~ 10¹⁶ (в оптоэлектроннике).

В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рис. 3). Совокупность этих уровней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны атомов данного вещества.

Рис.3 Условные обозначения 1,3 –разрешенных зон и 2-запрещенной зоны.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все ее уровни при температуре 0 К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют валентной.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны.

Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри тела, например, под воздействием электрического поля.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние носит название дырки. Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пары. Процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.

Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы, являющейся носителем заряда, до ее рекомбинации, называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни, - диффузионной длиной. Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями:

; ,

где – диффузионная длина электронов и дырок; - время жизни электронов и дырок; - коэффициенты диффузии электронов и дырок (плотности потоков носителей заряда при единичном градиенте их концентраций).

Среднее время жизни носителей заряда численно определяется как промежуток времени, в течение которого концентрация носителей заряда, введенных тем или иным способом в полупроводник, уменьшается в e раз (е ).

Если в полупроводнике создать электрическое поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, т.е. дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях, причем дырки – в направлении, совпадающем с направлением электрического поля. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда, создающих токи, плотности которых равны:

, ,

где q – заряд носителя заряда(электрона); n, p – число электронов и дырок в единице объема вещества; - подвижность носителей заряда.

Подвижность носителей заряда есть физическая величина, характеризуемая их средней направленной скоростью в электрическом поле с напряженностью 1 В/см: µ=v/E, где v – средняя скорость носителя.

Так как носители заряда противоположного знака движутся в противоположном направлении, результирующая плотность тока в полупроводнике:

Движение носителей заряда в полупроводнике, вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала, называют дрейфом, а созданный этими зарядами ток – дрейфовым током.

Движение под влиянием градиента концентрации называют диффузией.

Удельную проводимость полупроводника можно найти как отношение удельной плотности тока к напряженности электрического поля:

,

где - удельное сопротивление полупроводника.

Примесная электропроводность. Физические свойства проводников зависят от содержания в них примесей и от различных дефектов кристаллической решетки (пустые узлы решетки атомов или ионов, находящихся в узлах решетки – точечные примеси).

Примеси бывают: акцепторные и донорные.

1. Акцепторные примеси. Их атомы способны принимать извне один или несколько электроны.

Если в Ge ввести трехвалентный атом In, то образующаяся связь между In и четырьмя атомами Ge устанавливается за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из атомов Ge. Такая примесь называется акцепторной.

В акцепторном полупроводнике в запрещенной зоне появляется дополнительный уровень – уровень акцепторных примесей.

Рис.4. Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника с акцепторными примесями

2) Донорные примеси. Атомы донорной примеси имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Они не участвуют в межатомных связях.

В запрещенных зонах также появляется дополнительный уровень. Решетка остается положительно заряженной.

Рис.5. Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника с донорными примесями

Донорный полупроводник – n-типа; акцепторный – p-типа.

При увеличении концентрации либо акцепторов, либо доноров, примесные уровни разрастаются.

Вырожденным называется полупроводник с высокой концентрацией примесей. Так как ширина запрещенной зоны становится меньше, следовательно, длина волны электромагнитного излучения становится меньше.

Носители зарядов, концентрация которых преобладает в проводнике, называются основными и наоборот – неосновными. При высоких температурах преобладает проводимость основных.