Реферат: Физические основы электроники

Реферат: Физические основы электроники

Министерство Российской Федерации

по связи и информатизации

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики

В.Л. Савиных

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

для специальностей 071 700, 200 700,

200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400

Новосибирск

2003

УДК  621.385

Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики, параметры и простейшие схемы применения полупроводниковых электронных приборов.

ктн, доц. В.Л. Савиных,

Для студентов дневной и заочной форм обучения  специальностей 071700, 200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.

Кафедра технической электроники.

Ил. 8, табл. 11,  список лит. 4  назв.

Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А.

         Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве    

          учебного пособия

[нет1]

@       Сибирский государственный

университет телекоммуникаций

     и информатики, 2003 г.    

[нет2]

Содержание

     Введение………………………………………………………

1       Основы теории электропроводности полупроводников.......

1.1    Общие сведения о полупроводниках....................................

1.1.1 Полупроводники с собственной проводимостью..............

1.1.2 Полупроводники с электронной проводимостью.............

1.1.3 Полупроводники с дырочной проводимостью..................

1.2    Токи в полупроводниках ....................................................

1.2.1 Дрейфовый ток...................................................................

1.2.2 Диффузионный ток...........................................................

1.3    Контактные явления...........................................................

1.3.1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия

1.3.2 Прямое включение p-n перехода......................................

1.3.3 Обратное включение p-n перехода.................................

1.3.4 Теоретическая характеристика p-n перехода...........................

1.3.5 Реальная характеристика p-n перехода............................

1.3.6 Ёмкости p-n перехода......................................................

1.4    Разновидности p-n переходов..........................................

1.4.1 Гетеропереходы...........................................................

1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа проводимости

1.4.3 Контакт металла с полупроводником..........................................

1.4.4 Омические контакты...................................................................

1.4.5 Явления на поверхности полупроводника..............................

2       Полупроводниковые диоды.....................................................

2.1    Классификация.......................................................................

2.2    Выпрямительные диоды.......................................................

2.3    Стабилитроны и стабисторы.................................................

2.4    Универсальные и импульсные диоды...................................

2.5    Варикапы..............................................................................

3       Биполярные транзисторы...........................................................

3.1    Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.....

3.1.1 Общие сведения..............................................................................

3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2    Статические характеристики биполярных транзисторов.........

3.2.1 Схема с общей базой...............................................................

3.2.2 Схема с общим эмиттером........................................................

3.2.3 Влияние температуры на статические характеристики БТ.....

3.3    Дифференциальные параметры биполярного транзистора..................

3.4   Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора......

3.5   Частотные свойства биполярного транзистора...................................

3.6   Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов.

3.7    Работа транзистора в усилительном режиме......................................

3.8    Особенности работы транзистора в импульсном режиме..................

3.8.1 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой     амплитуды..............................................................................................

3.8.2 Работа транзистора в режиме переключения.................................

3.8.3 Переходные процессы при переключении транзистора..............

4       Полевые транзисторы..............................................................

4.1    Полевой транзистор с p-n переходом........................................

4.2    Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-ранзистор)...

         Литература..............................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупровод-ников, контактным явлениям между полупроводниками различной прово-димости и между полупроводником и металлом. Рассматриваются принципы работы, характеристики и параметры  полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых транзисторов различной структуры.

Для освоения дисциплины ²Физические основы электроники² достаточно знаний по общеобразовательным и общетехническим предметам в объёме,  предусмотренном учебными программами. После изучения данной дисциплины студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре. Подробное рассмотрение физических основ явлений, принципов работы, параметров, характеристик и моделей приборов направлено на развитие у студентов умение самостоятельно решать задачи моделирования, анализа и синтеза радиоэлектронных устройств при их проектировании и эксплуатации.

Однако в учебном пособии отсутствуют сведения о большой и постоянно обновляемой номенклатуре электронных приборов. Необходимый материал по этим вопросам можно найти в справочниках, каталогах и других изданиях.

1  ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителей электрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны (являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди r=0,017×10-6 Ом×м. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей зна­чительно меньше, поэтому их удельное сопротивление вели­ко. Например, для диэлектрика полиэтилена

r = 1015 Ом×м, а для полупроводника кремния r = 2×103 Ом×м.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупро­водников относится к кристаллическим телам, атомы кото­рых образуют пространственную решетку. Взаимное при­тяжение атомов кристаллической решетки осуществляет­ся за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэто­му число ковалентных связей атома определяется его ва­лентностью.

Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими со­вокупность дискретных энергетических уровней атома.

В процессе образования кристаллической решетки меж­ду атомами возникает сильное взаимодействие, приводя­щее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). 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. Поскольку ширина разрешенных зон в твер­дом теле не превосходит несколь­ко электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см3 достигает 1022, раз­ность между уровнями составляет 10-22 эВ. Таким образом, в преде­лах разрешенной зоны получается практически непрерывный спектр энергетических уровней.

Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле тем­пературы все энергетические уров­ни заняты, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0° К элек­троны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).

Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны DW £ 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при DW > 3 эВ - к ди­электрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.

В полупроводниковой электронике широкое примене­ние получили германий  (DW = 0,67 эВ) и

кремний (DW =1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодической систе­мы. На плоскости кристаллическую решетку этих элемен­тов         изображают так, как показано на рисунке 1.2, а. Здесь

кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных элект­ронов, называемые атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q - заряд электрона, равный 1,6×10-19 Кл). При температуре абсолютного нуля (0° К) все электроны находятся на орбитах, энергия электронов на которых не превышает энергетических уровней валентной зоны. Сво­бодных электронов нет, и полупроводник ведет себя, как диэлектрик.

При комнатной температуре часть электронов приобре­тает энергию, достаточную для разрыва ковалентной свя­зи (рисунок 1.2, а). При разрыве ковалентной связи в валент­ной зоне появляется свободный энергетический уровень (рис. 1.2, б). Уход электрона из ковалентной связи сопро­вождается появлением в системе двух электрически свя­занных атомов единичного положительного заряда, полу­чившего название дырки, и свободного электрона.

Рисунок 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной электропроводностью.

Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграм­ме характеризуется появлением в валентной зоне свобод­ного энергетического уровня (см. рис.

 1.2, б), на который может перейти электрон из соседней ковалентной связи. При таком перемещении первоначальный свободный энер­гетический уровень заполнится, но появится другой сво­бодный энергетический уровень. Другими словами, запол­нение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Следователь­но, дырку можно считать подвижным свободным носите­лем элементарного положительного заряда. Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Очевидно, что количество их тем больше, чем выше температура и меньше ширина за­прещенной зоны. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей, при котором электрон восстанавливает ковалентную связь. Из-за про­цессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концен­трация электронов в зоне проводимости ni, и равная ей концентрация дырок pi, в валентной зоне. Из курса физики известно, что

           (1.1)

где Wф - уровень Ферми, соответствующий уровню энер­гии, формальная вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень Ферми находится в запрещенной зоне и фактически не может быть занят элек­тронами; кривая распределения Ферми-Дирака, характе­ризующая вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда симметрична относи­тельно уровня Ферми); WДН - энергия, соответствующая "дну" зоны проводимости; WВ - энергия, соответствую­щая "потолку" валентной зоны; Аn, Ар - коэффициенты пропорциональности; k - постоянная Больцмана, равная 1,37×10-23 Дж/град; Т- абсолютная температура, К. В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны Wi, а также Аn = Ар = А. Поэтому можно записать:

.     (1.2)

Из выражения (1.2) следует, что в чистом полупровод­нике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрас­тают приблизи -тельно по экспоненциальному закону (тем­пературные изменения А играют незначительную роль). (Рисунок 1.3) Равенство концентраций ni и pi показывает, что такой по­лупроводник обладает одинаковыми электронной и дыроч­ной электропроводностями и называется полупроводни­ком с Рисунок 1.3 Зависимость концентрации    собственной электропроводностью.

носителей от температуры.

1.1.2  Полупроводники с электронной электропроводностью

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора Р, сурьмы Sb) атомы приме­сей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами со­седних атомов основного полупроводника. Пятый валент­ный электрон слабо связан со своим атомом и при сообще­нии ему незначительной энергии, называемой энергией ак­тивации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, на­зывают донорными или просто донорами. Доноры подби­рают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны про­водимости основного полупроводника (рис. 1.4, б). Посколь­ку концентрация доноров в большинстве случаев не пре­вышает 1015...1017 атомов в 1 см3, что составляет

 10-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.

Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-0,13 эВ для германия, уже при ком­натной температуре приводит к полной ионизации 5-ва­лентных атомов примесей и появлению в зоне проводимо­сти свободных электронов. Поскольку в этом случае появ­ление свободных электронов в зоне проводимости не со­провождается одновременным

Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.

увеличением дырок в валент­ной зоне, в таком полупроводнике концентрация электро­нов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества.

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полу­проводнике, называют основными. Соответственно те но­сители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупровод­ника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов () и дырок () определяются соотношениями:

;      .     (1.3)

С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:

;   (1.4)   . (1.5)     

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство >> .

Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отли­чие от дырок положительные ионы прочно связаны с кри­сталлической решеткой основного полупроводника, явля­ются неподвижными положительными зарядами и, следо­вательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.

Если считать, что при комнатной температуре все ато­мы донорных примесей ионизированы (= Nд, » 0), на основании выражения (1.4) можно записать:

,          (1.6)

где Nд - концентрация донорных атомов в полупровод­нике.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7