Файл: электрон_конспект.doc

Кафедра электротехники, электроснабжения, автоматики и информационных технологий

Конспект лекций

по дисциплине «Электроника» при подготовке

бакалавра по направлению 110800.62 – «Агроинженерия»,

профиль – «Электрооборудование и электротехнологии »

(заочная форма обучения)

Раздел №1. Элементная база современных электронных устройств.

Полупроводники материалы: собственные полупроводники (п/п); п/п p– иn–типов на основе германия и кремния; п/п на основе карбида кремния. Электронно-дырочныйp-nпереход. Полупроводниковые диоды: выпрямительные диоды; диоды Шоттки; светодиоды; стабилитроны. Биполярные и полевые транзисторы. Тиристоры и симисторы. Оптроны.

Самостоятельное изучение: п/п на основе карбида кремния; диоды Шоттки; светодиоды; стабилитроны; фотодиоды; п/п резисторы(позисторы и термисторы).

Лекция 1. Полупроводниковые материалы. Электронно-дырочный

p-nпереход. Полупроводниковые диоды: выпрямительные диоды; диоды Шоттки

1.1. Элементы зонной теории твердого тела.

Согласно зонной теории твердого тела, уровни энергий электронов расщепляются в зоны. Зоны представляют собой набор возможных уровней энергий. Эти уровни дискретны и расстояния между ними кратны h, где h = 6,6310 ^-34Дж/с - постоянная Планка,- частота электромагнитного излучения.

При переходе электрона с высшего энергетического уровня на низший выделяется квант энергии Е₂- Е₁= h. Для перехода электрона с низшего энергетического уровня на высший ему надо извне сообщить квант энергии h.

У кристаллических веществ уровни энергии внешних электронов расщепляются на две зоны: в валентную зону (валентные электроны) и в зону проводимости (свободные электроны). Число энергетических уровней в каждой зоне велико и примерно равно числу атомов в единице объема (10²³см^-3).

На рис.1.1 изображена энергетическая диаграмма кристаллического вещества. На этой диаграмме Е_v– «потолок» валентной зоны, Е_с- «дно» зоны проводимости, Е₀- уровень энергии электронов в вакууме (работа выхода электронов), Е_g- ширина запрещенной зоны, Е_Ди Е_А- уровни энергии электронов атомов доноров и акцепторов, Е_ф– уровень Ферми (средняя энергия электронов в кристалле, вероятность заполнения уровня которой равна 0,5). Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона, в которой не могут находиться энергетические уровни электронов.

Ширина запрещенной зоны Е_gравна энергии, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он стал свободным, то есть перешел из валентной зоны в зону проводимости: Е_g=E_c-E_v.

В металлах запрещенная зона практически отсутствует, и энергетические уровни зоны проводимости и валентной зоны смыкаются. Уровень Ферми Е_флежит где-то посередине. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеют энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости не менее одного электрона. Число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет несколько эВ. Поэтому при нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень незначительное число электронов, в следствие чего диэлектрики обладают ничтожно малой проводимостью.

У полупроводников зонная диаграмма похожа на зонную диаграмму диэлектриков, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков и составляет около одного эВ. Поэтому при низких температурах полупроводники обладают малой проводимостью, но уже при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны E_g- один из основных параметров материала полупроводника. Ширина и структура зон определяют все свойства полупроводников. Другой способ изображения зон - так называемая зонная диаграмма, представляющая зависимость энергии электронов от волнового числаk, которое связанно с импульсом электрона: p = hk/2π.

Импульс электрона можно найти через эффективную массу и энергию электрона:

p = E² /2m,

откуда E² = k (hm/π).

Рис. 1.2. Зонные диаграммы непрямозонных (а)

и прямозонных (б) полупроводников

На рис. 1.2 показаны зонные диаграммы кремния и германия (а) и арсенида галлия (б). Зонные диаграммы Si и GaAs отличаются тем, что у GaAs максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости соответствуют К = 0. Такие полупроводники называются прямозонными. У Si экстремумы зон не совпадают и соответствуют разным значениям волнового числа. Такие полупроводники называются непрямозонными.

1.2. Полупроводники p- иn- типов

В качестве полупроводников наиболее широко применяются кристаллический кремний или германий (собственные полупроводники); ширина запрещенной зоны у них соответственно составляет 1,1 эВ и 0,72 эВ. Полупроводник имеет кристаллическую решетку в виде тетраэдра. Плоскостное изображение различных типов полупроводников показано на рис. 1.3.

В узлах кристаллической решетки полупроводника i-типа находятся четырехвалентные ионы кремния или германия (см. рис. 1.3,а). Внешние орбитальные электроны образуют ковалентные связи.

В полупроводниках существуют носители зарядов двух типов - электроны и дырки. Дырка – это отсутствие электрона. Дырка – это квазичастица, то есть не реальная частица,

а оборванная ковалентная связь после отрыва электрона от атома. Заряд дырки положителен и равен по величине заряду электрона.

Под воздействием внешних факторов (температура, свет, ионизирующие излучения и т.д.) в собственном полупроводнике (i-типа) возможен разрыв отдельных ковалентных связей с образованием пар носителей заряда электрон-дырка. Электрон переходит в зону проводимости (если его энергия больше ширины запрещенной зоны), где он становится свободным электроном (электроном проводимости). Находясь в валентной зоне, дырка тоже может перемещаться, однако ее подвижность в два - три раза меньше подвижности свободного электрона, так как дырка последовательно перемещается от одного атома к другому. Перемещение дырок по физической сути является перемещением электронов в валентной зоне: электрон соседнего атома восстанавливает ковалентную связь, образуя дырку.

Процесс образования пар носителей заряда (НЗ) под воздействием внешних факторов называется генерацией НЗ.

При встрече электрона с дыркой восстанавливается ковалентная связь – носители заряда рекомбинируют. При этом выделяется энергия. Рекомбинация электронов и дырок может быть безизлучательной и излучательной. Излучательная рекомбинация НЗ возможна в прямозонных полупроводниках (см. рис. 1.2,б). Она сопровождается испусканием квантов света и используется для создания полупроводниковых светодиодов. При безизлучательной рекомбинации энергия передается кристаллической решетке полупроводника.

Если в полупроводник ввести атомы примесей, то они будут находиться в особых состояниях. Дискретные энергетические уровни электронов примесей при малых концентрациях лежат внутри запрещенной зоны (см. рис. 1.1). Если в полупроводник ввести донорную примесь (в 4-валентный Si или Ge ввести 5-валентный As или Sb), то при ионизации донорного атома один электрон переходит с донорного уровня Ед в зону проводимости. Разность энергий Е_Д = Е_С – Е_Д называется энергией ионизации донора. Так как Е_Д << Е_Д, то при невысоких температурах число свободных электронов, возникающих вследствие ионизации доноров, превышает число носителей заряда, возникающих вследствие тепловой генерации из атомов полупроводника. В таком полупроводнике электроны называются основными носителями зарядов, а полупроводник электронным или n-типа (см. рис. 1.3,б) от латинского Negativus – отрицательный.

Донорными примесями могут быть химические элементы V и VI групп: V группа - P, As, Sb; VI группа - S, Se, Te.

Если в полупроводник ввести акцепторную примесь (в 4-валентный Si или Ge ввести 3-валентный В, Al, или In), то в таком полупроводнике будет преобладать дырочная проводимость – основные носители заряда - дырки. Такой полупроводник называется дырочнымили p-типа (см. рис. 1.3,в) от латинскогоPosetivus – положительный. Энергия ионизации акцепторовЕ_А= Е_А– Е_V. Переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни приводит к появлению в валентной зоне дырочной проводимости.

Акцепторные примеси - это элементы II и III труппы: II группа - Zn, Cd, Hg; III группа - B, Al, Ga, In.

Помимо основных носителей зарядов в примесных полупроводниках за счет воздействия внешних факторов генерируются пары носителей зарядов как и в собственных полупроводниках (i–типа). При этом электроны в полупроводниках р-типа и дырки в полупроводниках n-типа и являются неосновными носителями зарядов (ННЗ), так как их концентрация во много раз меньше концентрации ОНЗ. Если обозначить:

n_n, p_p- концентрации основных носителей зарядов (ОНЗ);

n_p, p_n- концентрации неосновных носителей зарядов (ННЗ);

то n_np_n= n_pp_p= n²_i- величина постоянная для каждого полупроводника и зависит от температуры.