электроника шпоры по вопросам 2006 (Шпоры по Созинову)

ВОПРОС 1

С каждой движущейся массой вещества связан волновой процесс, а длина волны определяется соотношением

; где n – постоянная Планка, m – масса тела, v – скорость движения.

Это соотношения называется «постулат Луи де Бройля »

Электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн. Остальные орбиты для электрона запрещены.

В изолированном атоме с одним электроном скорость движения электрона по разрешенной орбите устанавливается такой, при которой центробежная сила уравновешивает силу притяжения «-» электрона к «+» ядру.

Каждой разрешенной орбите соответствует своя скорость и кинетическая энергия электрона.

Двигаясь по разрешенной орбите электрон не расходует энергию.

Электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую.

Полная энергия электронов называется энергетическим состоянием атомов. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляется в виде энергетического уровня.

Электрон-вольт – энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов 1В.

С увеличением номера орбиты абсолютное значение энергии уменьшается, то есть энергетический уровень возрастает (так как энергия связи в атоме отрицательна)

Величину n называют главным квантовым числом и используют для описания дискретных свойств микромира

Разрешенный энергетический уровень, характеризуемый главным квантовым числом n расщепляется на ряд близкорасположенных подуровней. Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти слившихся подуровней, образующих энергетические зоны.

Энергетические зоны могут быть разрешенными и запрещенными.

РИСУНОК 2 – расщепление энергетических уровней атомов, связанных в кристаллической решетке

Всегда существует некоторая не равная нулю вероятность того, что энергия электрона совпадает с подуровнем одной из разрешенных энергетических зон. Вероятность пребывания электрона в запрещенной зоне равна нулю.

принцип Паули: На любом энергетическом уровне одновременно может находиться не более двух электронов, отличающихся моментами импульса или спинами.

В силу принципа минимизации энергии системы электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, излучив кванты избыточной энергии. В результате электроны не скапливаются на отдельных энерг уровнях, а равномерно заполняют разрешенные энергетические зоны, начиная с нижних. Верхнюю из заполненных энергетических зон принято называть валентной, так как ее электроны способны взаимодействовать с соседними атомами, обеспечивая молекулярные связи. Разрешенные энергетические зоны, располагающиеся ниже валентной, всегда полностью заполнены электронами. Валентная зона может быть заполнена полностью или частично. Все кристаллы с неполностью заполненной валентной зоной являются проводниками электрического тока. Кристаллы, у которых валентная зона заполнена электронами полностью, а в следующей по порядку более высокой энергетической зоне электронов нет, - неэлектропроводник и представляет собой идеальный изолятор.

Проводящие свойства кристалла зависят от ширины запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости

а) проводник; б) полупроводник; в) изолятор

1 – зона проводимости; 2 – валентная зона; 3 – запрещенная зона

Сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры

Если удельное сопротивление

- проводники

- изоляторы

- полупроводники

ВОПРОС 2

В следствие малой ширины запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния (дырки) в валентной зоне.

Генерация пар свободных зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток. Электропроводность такого кристалла называется собственной.

ВОПРОС 5

Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален. Сумма положительных и отрицательных зарядов в нем равна нулю. Также электрически нейтрален кристалл p-типа

а) б) в)

Рисунок 10

Сразу после соприкосновения кристаллов начнется диффузия дырок из p-области в n-область и диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом вблизи граничной области образуется 2 слоя.

p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, то есть слой отрицательных ионов;

n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, называемое запирающим.

Напряженность этого поля препятствует диффузии дырок и электронов (диффузионному току).

При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствует определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

В кристалле существуют еще и неосновные носители заряда. Под действием напряженности поля они начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным. Если при движении через p-n переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника, то в переходе начинается лавинообразное размножение носителей зарядов, что приводит к резкому увеличению обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении (кривая 2). Это лавинный пробой. Другой вид пробой – туннельный. Он возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Если температура p-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточно теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему нагреву p-n перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение p-n перехода. Тако процесс называют тепловым пробоем.

ВОПРОС 7

Рисунок 11

Обозначим через собственную контактную разность потенциалов объединенного слоя. Если к p-n переходу подключить источник ЭДС, на клеммах которого будет напряжение U, то разность потенциалов на границах контактного слоя изменится. Включение p-n перехода в электрическую цепь, когда «+» источника присоединяется к p-области, а «-» к n-области называется прямым. Разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначается . Включение, при котором к p-области присоединяется «-» источника тока, а к n-области – «+» источника, называется обратным. Соответствующая разность потенциалов -

;

При прямом включении p-n перехода потенциальный барьер уменьшается, что приводит к увеличению диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток называется прямым, он совпадает с диффузионным.

При обратном включении p-n перехода потенциальный барьер увеличивается, что приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового тока. Результирующий ток называется обратным и совпадает с дрейфовым током.

Таким образом, p-n переход, включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а в обратном – не пропускает.

ВОПРОС 6

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным.