Файл: Electron_SE.pdf

16

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

Ó 30-õ ðîêàõ ïîä³áíèìè åêñïåðèìåíòàìè ç ïåðåäàâàëüíèìè òðóáêà-

ìè òàêîæ çàéìàëèñü À. Ï. Êîíñòàíòèíîâ, Ñ. ². Êàòàºâ, Ï. Â. Øìàðîâ,

Ï. Â. Òèìîôººâ.

Äî ðå÷³, òåëåâ³çîð, âèêîíàíèé íà îñíîâ³ åëåêòðîìåõàí³÷íî¿ ñèñòåìè

ïåðåäà÷³ çîáðàæåííÿ, øèðîêîìó çàãàëó âïåðøå ïðîäåìîíñòðóâàâ øîò-

ëàíäñüêèé âèíàõ³äíèê Äæîí Áåðä 27 ñ³÷íÿ 1926 ðîêó. Â ÑÐÑРïåðøà

åêñïåðèìåíòàëüíà òåëåïåðåäà÷à â³äáóëàñÿ ó êâ³òí³ 1931 ðîêó ó Ìîñêâ³.

À ïåðø³ ðåãóëÿðí³ òåëåïåðåäà÷³ ðîçïî÷àòî ó 1934 ðîö³ â Í³ìå÷÷èí³.

Ïåðøèé ñåëåíîâèé âèïðÿìëÿ÷ âèãîòîâèâ í³ìåöüêèé â÷åíèé Ïðåññåð

ó 1932 ðîö³.

Ïåðøó åëåêòðîííó îá÷èñëþâàëüíó ìàøèíó (íà ëàìïàõ-òð³îäàõ) áóëî

ñòâîðåíî ó ÑØÀ ó 1946 ðîö³.

Àëå âñ³ ö³ åïîõàëüí³ â³äêðèòòÿ òà óñï³õè ìîæíà ââàæàòè ëèøå ïîïå-

ðåäí³ìè êðîêàìè ó ñòâîðåíí³ òåî𳿠åëåêòðîí³êè, åëåêòðîííèõ ïðèëàä³â

òà ñõåìîòåõí³÷íèõ ïðèéîì³â, îñê³ëüêè ñïðàâæíÿ ðåâîëþö³ÿ â åëåêòðîí³ö³

ðîçïî÷àëàñÿ ó 1948 ðîö³ – ï³ñëÿ âèíàéäåííÿ àìåðèêàíñüêèìè â÷åíèìè,

ñï³âðîá³òíèêàìè Bell Laboratories Ä. Áàðä³íèì, Ó. Áðàòòåéíîì ³ Ó. Øåêë³

òðàíçèñòîðà.

Á³ëüøå òîãî, äåõòî ââàæàº, ùî ðîçâèòîê åëåêòðîí³êè, âëàñíå, ò³ëüêè

ç öüîãî é ðîçïî÷àâñÿ! ² òàêå òâåðäæåííÿ íå ïîçáàâëåíå ñåíñó ç îãëÿäó

íà òå, ÿêèìè òåìïàìè ïî÷àëè ðîçâèâàòèñÿ åëåêòðîíí³ òåõíîëîã³ÿ, ïðè-

ëàäè, ñõåìîòåõí³êà. Äîñèòü çâåðíóòè óâàãó íà òå, ùî ï³ñëÿ íåäîâãî-

÷àñíîãî ïåð³îäó ïàíóâàííÿ ïðèñòðî¿â íà äèñêðåòíèõ òðàíçèñòîðàõ âæå

ó 1965 ðîö³ Â³äëàð (ô³ðìà Fairchild, ÑØÀ) çàïðîïîíóâàâ îïåðàö³éíèé

ï³äñèëþâà÷ â ³íòåãðàëüíîìó âèêîíàíí³, à ó 1971 ðîö³ ç’ÿâèâñÿ ïåðøèé

ì³êðîïðîöåñîð (ô³ðìà Intel, ÑØÀ).

Ïîºäíàííÿ ³íòåãðàëüíèõ àíàëîãîâèõ òà öèôðîâèõ ïðèñòðî¿â ó ñóêóïíîñò³

ç êîìï’þòåðíèìè òåõíîëîã³ÿìè (íà îñíîâ³ ì³êðîïðîöåñîð³â) â³äêðèëî ïî-

äàëüø³ íàéøèðø³ ïåðñïåêòèâè ó ðîçâèòêó ³ çàñòîñóâàíí³ åëåêòðîí³êè.

Óñï³õè åíåðãåòè÷íî¿ åëåêòðîí³êè ïîâ’ÿçàí³ ç ðîçâèòêîì ñèëîâèõ íà-

ï³âïðîâ³äíèêîâèõ åëåêòðîííèõ ïðèëàä³â. Ö堖 ñòâîðåííÿ ñèëîâîãî ä³î-

äó (10 À, 200 Â) ó 1954 ðîö³, âèíàõ³ä ó 1956 ðîö³ òèðèñòîðà, à äà볠ѲÒ-

òà IGBT-òðàíçèñòîð³â ó ñåðåäèí³ 70-õ ðîê³â.

Ïîºäíàííÿ ñèëîâèõ íàï³âïðîâ³äíèêîâèõ ïðèëàä³â ç ³íòåãðàëüíèìè

ñèñòåìàìè êåðóâàííÿ çàáåçïå÷óº ïðîãðåñ ó ö³é ãàëóç³.

Áàæàºìî  Âàì  óñï³õó  ó  âèâ÷åíí³  êóðñó!

17

ÐÎÇIJˠ1

Ô²ÇÈ×Ͳ ÎÑÍÎÂÈ ÐÎÁÎÒÈ

ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊÎÂÈÕ ÏÐÈËÀIJÂ

1.1. Íàï³âïðîâ³äíèêè. Çàãàëüí³ â³äîìîñò³

Ïåðåä òèì, ÿê ïðèñòóïèòè äî ðîçãëÿäó òåìè, çàäàìîñÿ ïèòàííÿì:

÷îìó ìîâà äàë³ ï³äå ñàìå ïðî íàï³âïðîâ³äíèêè? À öå òîìó, ùî, ÿê âèäíî

ç îïèñó ðîçâèòêó åëåêòðîí³êè, â íàø ÷àñ íàéá³ëüø³ óñï³õè ó ö³é ãàëóç³

ïîâ’ÿçàí³ ³ç çàñòîñóâàííÿì ïðèñòðî¿â, âèêîíàíèõ íà íàï³âïðîâ³äíèêîâèõ

ïðèëàäàõ.

Íàï³âïðîâ³äíèêè (ÍÏ) íàëåæàòü äî êëàñó ðå÷îâèí, ùî ìàþòü òâåð-

äó êðèñòàë³÷íó ñòðóêòóðó ³ çà ïèòîìîþ ïðîâ³äí³ñòþ (10

4

 – 10

-10

 Ñèì/ñì)

çàéìàþòü ïðîì³æíå ì³ñöå ì³æ ïðîâ³äíèêàìè (10

4

 – 10

6

 Ñèì/ñì) òà ä³åëåê-

òðèêàìè (10

-10

 Ñèì/ñì òà ìåíøå).

Ïðè âèãîòîâëåíí³ ÍÏ åëåêòðîííèõ ïðèëàä³â ÷àñò³øå âèêîðèñòîâóþòü

êðåìí³é (Si – ìຠðîáî÷ó òåìïåðàòóðó äî 140°C), ãåðìàí³é (Ge – íàé-

á³ëüøà ðîáî÷à òåìïåðàòóðà 75°C), àðñåí³ä ãàë³þ (GaAs – ïðàöþº ïðè

òåìïåðàòóðàõ äî 350-400°C).

Äî ÍÏ òàêîæ â³äíîñÿòü ñåëåí, òåëóð, äåÿê³ îêñèäè, êàðá³äè òà ñóëüô³äè.

ÍÏ ìàþòü òàê³ âëàñòèâîñò³:

1) íåãàòèâíèé òåìïåðàòóðíèé êîåô³ö³ºíò îïîð󠖠³ç çá³ëüøåííÿì òåì-

ïåðàòóðè ¿õí³é îï³ð çìåíøóºòüñÿ (ó ïðîâ³äíèê³â – çðîñòàº);

2) äîäàâàííÿ äîì³øîê ïðèçâîäèòü äî çíèæåííÿ ïèòîìîãî îïîðó (ó

ïðîâ³äíèê³â – äî çá³ëüøåííÿ);

3) íà åëåêòðè÷íó ïðîâ³äí³ñòü ÍÏ âïëèâàþòü ðàä³àö³ÿ, åëåêòðîìàãí³òíå

âèïðîì³íþâàííÿ.

Ïðîöåñè åëåêòðîïðîâ³äíîñò³ ÍÏ ³ ä³åëåêòðèê³â ïîä³áí³, àëå ñóòòºâî

â³äð³çíÿþòüñÿ â³ä åëåêòðîïðîâ³äíîñò³ ïðîâ³äíèê³â.

Çàçíà÷èìî, ùî åëåêòðîíè, ðîçòàøîâàí³ íà çîâí³øí³é îðá³ò³ àòîìà ðå-

÷îâèíè, ìàþòü íàçâó âàëåíòíèõ. Âîíè íàéñëàáê³øå çâ’ÿçàí³ ç ÿäðîì ³

âèçíà÷àþòü ô³çè÷í³ òà õ³ì³÷í³ âëàñòèâîñò³ ðå÷îâèíè.

Ó ïðîâ³äíèê³â åëåêòðîíè, ðîçòàøîâàí³ íà çîâí³øí³é îðá³ò³ àòîìà, ñëàá-

êî çâ’ÿçàí³ ç ÿäðîì ³ òîìó äîñèòü ëåãêî ïîêèäàþòü ñâî¿ àòîìè, ï³ñëÿ ÷îãî

18

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

õàîòè÷íî ïåðåì³ùóþòüñÿ ó ìàòåð³àë³ – ñòàþòü â³ëüíèìè. ßêùî äî ïðî-

â³äíèêà ïðèêëàñòè çîâí³øíº åëåêòðè÷íå ïîëå, âèíèêíå âïîðÿäêîâàíèé

ðóõ åëåêòðîí³â – åëåêòðè÷íèé ñòðóì.

Ó  ÍÏ  óñ³  âàëåíòí³  åëåêòðîíè  ì³öíî

ç÷åïëåí³ ç êðèñòàë³÷íèìè ´ðàòêàìè çàâäÿ-

êè òàê çâàíîìó êîâàëåíòíîìó çâ’ÿçêó, ïðî

ÿêèé Âè çíàºòå ç õ³ì³¿. Äîêè öåé çâ’ÿçîê

³ñíóº, åëåêòðîíè íå ìîæóòü ïåðåíîñèòè

åëåêòðè÷íèé çàðÿä ó ìàòåð³àë³.

Ìåõàí³çì åëåêòðîïðîâ³äíîñò³ ÍÏ ðîç-

ãëÿíåìî íà ïðèêëàä³ êðèñòàë³÷íèõ ´ðàòîê

ãåðìàí³þ, ùî º åëåìåíòîì IV ãðóïè ïå-

ð³îäè÷íî¿ ñèñòåìè Ìåíäå뺺âà. ¥ðàòêè ó

âèãëÿä³ ïëîñê³ñíî¿ ñòðóêòóðè çîáðàæåíî

íà ðèñ. 1.1.

Àòîìè ãåðìàí³þ ðîçì³ùåí³ ó âóçëàõ êðèñòàë³÷íèõ ´ðàòîê, ¿õ çâ’ÿ-

çîê ç ³íøèìè àòîìàìè çä³éñíþºòüñÿ çà äîïîìîãîþ ÷îòèðüîõ âàëåíò-

íèõ åëåêòðîí³â. Ïîäâ³éí³ ë³í³¿ ì³æ âóçëàìè âêàçóþòü íà êîâàëåíòíèé

õàðàêòåð çâ’ÿçêó, òîáòî êîæíà ïàðà âàëåíòíèõ åëåêòðîí³â íàëåæèòü

âîäíî÷àñ äâîì ñóñ³äí³ì àòîìàì. Ïðè òåìïåðàòóð³ àáñîëþòíîãî íóëÿ

³ çà â³äñóòíîñò³ îïðîì³íåííÿ ó ÍÏ â³äñóòí³ ðóõîì³ íîñ³¿ ³ éîãî åëåêòðè÷-

íèé îï³ð âåëèêèé (íåñê³í÷åííèé).

Çà çâè÷àéíèõ óìîâ, âíàñë³äîê ä³¿ íà ðå÷îâèíó òåïëîâî¿ åíåð㳿, äå-

ÿê³ ç âàëåíòíèõ åëåêòðîí³â ïîêèäàþòü êîâàëåíòí³ çâ’ÿçêè ³ ñòàþòü

åëåêòðîíàìè  ïðîâ³äíîñò³  –  â³äáóâàºòüñÿ  ïðîöåñ  ãåíåðàö³¿  ïàð

íîñ³¿â:  åëåêòðîí³â  ³  ä³ðîê.  Ïðè  öüîìó  ä³ðêà  –  âàêàíòíå  ì³ñöå  ó

êîâàëåíòíîìó çâ’ÿçê󠖠ìຠïîçèòèâíèé çàðÿä, ùî ¿é ïðèïèñóºòüñÿ

óìîâíî.

ßêùî òåïåð ïîì³ñòèòè ÍÏ â åëåêòðè÷íå ïîëå, âèíèêíå ñïðÿìîâàíèé

ðóõ çàðÿä³â – åëåêòðè÷íèé ñòðóì. Íà â³äì³íó â³ä ïðîâ³äíèê³â ñòðóì â

ÍÏ çàáåçïå÷óºòüñÿ íîñ³ÿìè äâîõ çàðÿä³â – ïîçèòèâíîãî   (ä³ðêè) òà

íåãàòèâíîãî   (åëåêòðîíè).

Ïðîâ³äí³ñòü ÷èñòîãî ÍÏ ìຠíàçâó âëàñíî¿, ñàì æå ÍÏ â³äíîñÿòü

äî  i-òèïó.  Âëàñíà  ïðîâ³äí³ñòü  çâè÷àéíî  íåâåëèêà.  Çíà÷íî  á³ëüøó

ïðîâ³äí³ñòü ìàþòü ÍÏ ³ç äîì³øêàìè, äî òîãî æ ¿¿ õàðàêòåð çàëåæèòü

â³ä âèäó äîì³øîê.

 -

 -

Ge

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

Ge

Ge

Ge

Ðèñ. 1.1 – Êðèñòàë³÷í³ ´ðàòêè

ãåðìàí³þ

19

1. Ô²ÇÈ×Ͳ ÎÑÍÎÂÈ ÐÎÁÎÒÈ ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊÎÂÈÕ ÏÐÈËÀIJÂ

Ðîçãëÿíåìî ïðèêëàä, êîëè ó ðîç-

ïëàâ ÷èñòîãî ãåðìàí³þ äîäàºòüñÿ

äîì³øêà ï’ÿòèâàëåíòíîãî åëåìåí-

òà (V ãðóïà òàáëèö³ Ìåíäå뺺âà),

íàïðèêëàä, àðñåíó (As), ÿê ïîêàçà-

íî íà ðèñ. 1.2.

Ïðè çàñòèãàíí³ ó äåÿêèõ âóçëàõ

êðèñòàë³÷íèõ ´ðàòîê ãåðìàí³þ éîãî

àòîìè  çàì³ùóþòüñÿ  àòîìàìè  äî-

ì³øêè. Ïðè öüîìó ÷îòèðè âàëåíò-

íèõ åëåêòðîíè äîì³øêè ñòâîðþþòü

ñèñòåìó êîâàëåíòíèõ çâ’ÿçê³â ³ç ÷î-

òèðìà âàëåíòíèìè åëåêòðîíàìè ãåðìàí³þ, à ï’ÿòèé åëåêòðîí äîì³øêè

âèÿâëÿºòüñÿ íàäëèøêîâè젖 â³ëüíèì. Â³ëüí³ åëåêòðîíè çàëèøàþòü ó

âóçëàõ êðèñòàë³÷íèõ ´ðàòîê íåðóõîì³ ïîçèòèâíî çàðÿäæåí³ ³îíè, ùî ñòâî-

ðþþòü ó êðèñòàë³ ïîçèòèâíèé îᒺìíèé çàðÿä.

Äîì³øêà, ùî â³ääຠâ³ëüí³ åëåêòðîíè, íàçèâàºòüñÿ äîíîðíîþ. ÍÏ ç

ïåðåâàæàþ÷îþ ê³ëüê³ñòþ â³ëüíèõ åëåêòðîí³â ìຠíàçâó ÍÏ ç åëåêòðîí-

íîþ ïðîâ³äí³ñòþ, àáî ÍÏ  n-òèïó.

Ðîçãëÿíåìî  ââåäåííÿ  ó  ãåðìàí³é  äî-

ì³øêè ç òðüîìà âàëåíòíèìè åëåêòðîíàìè

(III ãðóïà òàáëèö³ Ìåíäå뺺âà), íàïðèêëàä,

³íä³þ (In), ÿê öå ïîêàçàíî íà ðèñ. 1.3.

Äëÿ  óòâîðåííÿ  êîâàëåíòíîãî  çâ’ÿçêó

ì³æ àòîìàìè Ge òà In îäíîãî åëåêòðîíà

íå âèñòà÷àº. Ïðè ä³¿ òåïëîòè íàâêîëèø-

íüîãî ñåðåäîâèùà åëåêòðîíè ç âåðõíüîãî

ð³âíÿ âàëåíòíî¿ çîíè ïåðåì³ùóþòüñÿ íà

ð³âåíü äîì³øêè, ñòâîðþþ÷è çâ’ÿçêè, ÿêèõ

íå  âèñòà÷àº,  çàâäÿêè  ÷îìó  ó  âàëåíòí³é

çîí³ óòâîðþþòüñÿ ðóõîì³ ä³ðêè, à àòîìè

äîì³øêè ïåðåòâîðþþòüñÿ ó íåãàòèâí³ ³îíè. Òàêà äîì³øêà íàçèâàºòüñÿ

àêöåïòîðíîþ, à ÍÏ ç ïåðåâàæíîþ ê³ëüê³ñòþ ä³ðîꠖ ÍÏ ç ä³ðêîâîþ

ïðîâ³äí³ñòþ, àáî p-òèïó.

Ïåðåâàæàþ÷³  ó  ÍÏ  ðóõîì³  íîñ³¿  çàðÿäó  ìàþòü  íàçâó  îñíîâíèõ,

ðåøòà  –  íåîñíîâíèõ.

 -

 -

As

Ge

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 +

íàäëèøêîâèé

åëåêòðîí

 -

 -

ïîçèòèâíèé ³îí

Ge

Ge

Ðèñ. 1.2 – Êðèñòàë³÷í³ ´ðàòêè

ãåðìàí³þ ç äîíîðíîþ äîì³øêîþ

 -

In

Ge

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 -

 +

ä³ðêà

  -

   -

Ge

Ge

 -

íåãàòèâíèé ³îí

Ðèñ. 1.3 – Êðèñòàë³÷í³

´ðàòêè ãåðìàí³þ

ç àêöåïòîðíîþ äîì³øêîþ

20

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

 1.2. Ô³çè÷í³ îñíîâè ðîáîòè åëåêòðîííî-ä³ðêîâîãî

ïåðåõîäó (p-n  ïåðåõîäó)

ð-n  ïåðåõîäîì  íàçèâàºòüñÿ  âóçüêà

çîíà íà ìåæ³ ì³æ øàðàìè ÍÏ p- ³ n-

òèïó, ÿê çîáðàæåíî íà ðèñ. 1.4.

Ô³çè÷í³ ïðîöåñè, ùî â³äáóâàþòüñÿ ó

p-n ïåðåõîä³, âèçíà÷àþòü ïàðàìåòðè òà

õàðàêòåðèñòèêè á³ëüøîñò³ ÍÏ ïðèëàä³â.

Äîïóñòèìî, ùî êîíöåíòðàö³ÿ îñíîâ-

íèõ íîñ³¿â ó îáèäâîõ øàðàõ ÍÏ îäíà-

êîâà. Ïðè îᒺäíàíí³ äâîõ ÍÏ âèíèêàº

âçàºìíà äèôóç³ÿ (ÿêó ìîæíà ââàæàòè

çà äèôóç³éíèé ñòðóì i

äèô

) åëåêòðîí³â ³ç

n-øàðó  ó  p-øàð  (âîíè  çàïîâíþþòü

â³ëüí³ êîâàëåíòí³ çâ’ÿçêè), à ä³ðîꠖ ó

ïðîòèëåæíîìó  íàïðÿìêó.  Âíàñë³äîê

öüîãî ó ïðèêîíòàêòí³é çîí³ ÍÏ p-òèïó

(çàâäÿêè ³îíàì àêöåïòîðíî¿ äîì³øêè

-

)

ç’ÿâëÿºòüñÿ íåãàòèâíèé çàðÿä, à ó

ïðèêîíòàêòí³é  çîí³  n-òèïó  (çàâäÿêè

³îíàì äîíîðíî¿ äîì³øêè 

+

) – ïîçèòèâ-

íèé çàðÿä. Ì³æ öèìè çàðÿäàìè âèíè-

êຠâíóòð³øíº åëåêòðè÷íå ïîëå ç íàïðó-

æåí³ñòþ E

âí

,

ùî ãàëüìóº ðóõ îñíîâíèõ

íîñ³¿â çàðÿä³â. Ç ³íøîãî áîêó, öå ïîëå âèÿâëÿºòüñÿ ïðèñêîðþþ÷èì äëÿ

íåîñíîâíèõ ðóõîìèõ íîñ³¿â çàðÿä³â (òåïëîâèõ), âíàñë³äîê ÷îãî ÷åðåç ìåæó

ì³æ ÍÏ âèíèêຠäðåéôîâà ñêëàäîâà ñòðóìó i

äð

, ïðîòèëåæíà äèôóç³éí³é

ñêëàäîâ³é i

äèô

, çóìîâëåí³é ðóõîì îñíîâíèõ íîñ³¿â çàðÿä³â (âíàñë³äîê ïðî-

ò³êàííÿ i

äèô

 â³äáóâàºòüñÿ ðåêîìá³íàö³ÿ ðóõîìèõ îñíîâíèõ íîñ³¿â çàðÿä³â).

Ó ñòàëîìó ñòàíîâèù³

³

äèô 

+ ³

äð

 = 0.                                                      (1.1)

Öÿ ð³âíîâàãà íàñòຠçà ïåâíî¿ êîíòàêòíî¿ ð³çíèö³ ïîòåíö³àë³â, ùî âèçíà÷àºòü-

ñÿ âåëè÷èíîþ îᒺìíîãî çàðÿäó ³ íàçèâàºòüñÿ ïîòåíö³àëüíèì áàð’ºðîì 

j

ê

.

Âåëè÷èíà 

j

ê

 çàëåæèòü â³ä ìàòåð³àëó ÍÏ ³ éîãî òåìïåðàòóðè. Äëÿ

ãåðìàí³þ 

j

ê Ge 

= (0,4 – 0,6) Â, äëÿ êðåìí³þ 

j

ê Si 

= (0,6 – 0,8) Â.

 +

 +

 +

 +

 +

 +

 +

 +

-

-

-

+

-

-

-

-

n

îñíîâí³ íîñ³¿

³îíè

+

L

ϕ

ê

õ

-

-

-

-

p

íåîñíîâí³

íîñ³¿

+ 

- 

+

+

-

- 

- 

- 

- 

- 

+

+

+

-

-

-

- 

- 

- 

- 

- 

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

p

n

E

âí

Ðèñ. 1.4 – Óòâîðåííÿ íà ìåæ³

ì³æ øàðàìè p- òà n-òèïó

p-n ïåðåõîäó ç

ïîòåíö³àëüíèì áàð’ºðîì 

j

ê