- •Электронные твердотельные приборы
- •Часть 1
- •Введение
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.2. Собственные полупроводники
- •1.3. Электронные полупроводники
- •1.4. Дырочные полупроводники
- •1.5. Токи в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
- •2.2. Прямое и обратное включение p-n перехода
- •2.3. Теоретическая вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.4. Реальная вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.5. Емкости p-n-перехода
- •Контрольные вопросы
- •3.1. Классификация, разновидности
- •3.2. Стабилитроны
- •3.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •Контрольные вопросы
- •4. Биполярные транзисторы
- •4.1. Физические процессы и токи в транзисторе
- •4.2. Moдyляция ширины бaзы
- •4.3. Статические характеристики
- •4.4. Влияние температуры на статистические характеристики
- •4.5. Малосигнальные параметры и эквивалентная схема
- •4.6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
- •4.7. Частотные свойства биполярных транзисторов
- •Контрольные вопросы
- •5. Полевые транзисторы
- •5.1. Физические процессы в полевом транзисторе с p-n-переходом
- •5.2. Малосигнальные параметры полевого транзистора
- •5.3. Эквивалентная схема полевого транзистора для малого сигнала
- •5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •5.5. Полевой транзистор с плавающим затвором
- •5.6. Полевой транзистор с затвором Шоттки
- •5.7. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •Контрольные вопросы
- •6. Тиристоры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический Список
- •ОглавлеНие
- •Электронные твердотельные приборы
- •680021, Г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
1.1 Общие сведения о полупроводниках
Твердые тела, существующие в природе делятся на аморфные и кристаллические. Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относятся к кристаллическим телам, атомы которых расположены в определенном порядке и образуют пространственную решетку. Почти все они обладают ковалентной связью, при которой взаимное притяжение двух атомов осуществляется благодаря общей паре валентных электронов, вращающихся по орбите вокруг этих атомов.
Согласно принципу Паули в атоме не может быть более двух электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, причем эти электроны должны обладать взаимно противоположными спинами. Общее количество электронов, окружающих ядро атома данного элемента в невозбужденном состоянии, определяется порядковым номером этого элемента.
При сближении атомов (для образования кристалла) их взаимодействие усиливается и на некотором расстоянии становится настолько значительным, что вызывает расщепление каждого энергетического уровня изолированного атома в энергетическую зону – область значений полной энергии электронов в кристалле, характеризуемую максимальным и минимальным значениями энергии. Число энергетических уровней в каждой зоне равно числу объединяющихся атомов. В 1 см3 твердого тела число атомов составляет около 1022, следовательно, и число уровней в каждой разрешенной зоне должно иметь тот же порядок. Ширина верхней из заполненных зон – валентной – максимальна; по мере приближения к атомному ядру расщепление энергетического уровня атома создает все более узкие зоны. Все внутренние зоны целиком заполнены электронами. Так как эти электроны сильно связаны с ядром, они не влияют на проводимость кристалла, и в дальнейшем внутренние зоны рассматриваться не будут. Между зонами, разрешенными для электронов, располагаются запрещенные зоны – области значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле (кристалле без примесей и дефектов решетки). В полупроводниках обычно рассматривается запрещенная зона, отделяющая валентную зону от зоны проводимости (свободной зоны при T = 00К), на уровнях которой при возбуждении атома могут находиться электроны.
На рис. 1.1 представлена схема энергетических зон полупроводника. По оси ординат отложены величины энергии электронов W, а по оси абсцисс – расстояния x в направлении толщины кристалла. Ширина запрещенной зоны равна разности энергий между нижним уровнем («дном») зоны проводимостиWпр и верхним уровнем («потолком») валентной зоны Wв. В металлах, где все валентные электроны являются электронами проводимости, запрещенная зона отсутствует, и валентная зона частично перекрывается с зоной проводимости. При < 3 эВ твердое тело условно принято считать полупроводником, при> 3 эВ – диэлектриком.
Полупроводник приобретает электропроводность в том случае, если электронам, находящимся на энергетических уровнях внутри валентной зоны, внешним воздействием (нагреванием, освещением и т. д.) сообщается энергия (равная или большая), достаточная для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электрон, находящийся в зоне проводимости и являющийся подвижным носителем заряда, называется электроном проводимости. Одновременно в валентной зоне из-за ухода электронов появляются свободные уровни и, следовательно, валентные электроны также получают возможность переходить с одних уровней на другие (свободные) и тем самым изменять свою энергию. Это означает, что валентные электроны, так же как и электроны проводимости, могут создавать ток через полупроводник.
При уходе валентного электрона образуется положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона; этот положительный заряд следует относить к валентной связи между двумя атомами, нарушенной уходом валентного электрона. Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне, обладающее положительным зарядом, принято называть дыркой. При создании электрического поля в полупроводнике валентные электроны переходят из заполненных связей в соседние незанятые связи в направлении увеличения потенциала поля, что эквивалентно перемещению дырок в обратном направлении.
Итак, в полупроводниках возможны два вида электропроводности – электронная – в результате перемещения электронов проводимости и дырочная – в результате перемещения дырок.
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости (10-6-10-8 Ом-1 см-1) являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях – и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и др.). По своему составу полупроводники можно разделить на простые, если они образованы атомами одного химического элемента (например, германия Ge, кремния Si, селена Se), и сложные, если они являются химическим соединением или сплавом двух или нескольких химических элементов (например, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs и др.).
По типу электропроводности различают собственные полупроводники (полупроводники i-типа, индекс «i» означает «intrinsic» – собственный), если их электропроводность обусловлена генерацией пар электрон–дырка; примесные полупроводники с электронной проводимостью (полупроводники n-типа), если их электропроводность обусловлена в основном перемещением электронов, появившихся в результате ионизации атомов донорной примеси (отдающей электроны), и примесные полупроводники с дырочной проводимостью (полупроводники p-типа), если их проводимость обусловлена в основном перемещением дырок, возникших в результате ионизации атомов акцепторной примеси (связывающей электроны).