14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВСовременные электронные устройства, для того, чтобы отвечать требованиям миниатюризациии микроминиатюризации, строятся, в основном, на полупроводниковых приборах.Характерными особенностями полупроводников является резко выраженная зависимость удельной электропроводности  от температуры, от количества и природы вводимых примесей, а такжеее изменение под влиянием электрического поля, света, ионизирующего излучения и других факторов.1.1. Энергетические уровни и зоныВ соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокругядра, не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполнеr3  9r1n3определенные дискретные или квантованныезначения энергии и дискретные значения орбитальной скорости.

Поэтому электрон можетn2двигаться вокруг ядра только по определенr2  4r1ным (разрешенным) орбитам (рис. 1.1).Каждой орбите соответствует строго опреr1  0,529  10 10 мn 1деленная энергия электрона, или энергетическийуровень. Энергетические уровни отделены другот друга запрещенными интервалами (рис. 1.2).Рис. 1.1. Разрешенные орбиты электрона в атоме водородаСогласно принципу Паули на одномэнергетическом уровне не может находитьсяболее двух электронов, причем спины этихnW  0электронов должны быть противоположны. ВW1невозбужденном состоянии электроны в атомеW3 n39находятся на ближайших к ядру орбитах и вWn2таком состоянии находятся до тех пор, покаW2  14какое-либо внешнее воздействие не сообщитатому добавочную энергию.

При поглощенииэнергии атомом какой-либо электрон можетперейти на один из более высоких свободныхуровней, либо вовсе может покинуть атом, ставn1W1  13,53 эВсвободным носителем электрического заряда,Рис. 1.2. Энергетические уровни атома водородаа атом при этом превращается из нейтральногов положительно заряженный ион.1.2. Проводники, полупроводники и диэлектрикиЭнергия электронаВ твердых телах атомы вещества могут образовывать так называемую кристаллическую решетку, когда соседние атомы удерживаются межатомными силами на определенном расстоянии друг отдруга в точках равновесия этих сил, называемых узламикристаллической решетки.

Под действием тепла атомы, неимея возможности перемещаться, совершают колебательЗона проводимостиные движения относительно положения равновесия.В отличие от газа соседние атомы в твердых телах такЗапрещеннаязонаWблизко находятся друг к другу, что их внешние электронныеоболочки соприкасаются или даже перекрываются.В результате этого в твердых телах происходит расВалентная зонащепление энергетических уровней электронов на большоеколичество почти сливающихся подуровней (рис. 1.3), образующих энергетические зоны.

Разрешенная зона, в которойпри температуре абсолютного нуля все энергетические зоРис. 1.3. Расщепление энергетическихуровней электронов в твердых телахны заняты электронами, называется валентной.6А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийРазрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называетсязоной проводимости.

Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона.Ширина запрещенной зоны является основным параметром, характеризующим свойства твердого тела (рис. 1.4). Вещества, у которых ширина запрещенной энергетической зоны 0,01  W  3 эВ, относятся к полупроводникам, а приW  3 эВW  3 эВ – к диэлектрикам. У ме0.01  W  3 эВталлов (проводников) запрещеннаязона отсутствует.

В полупроводниковой электронике широкое применениеполучилигерманийGe ( W  0,67 эВ) и кремнийSi ( W  1,12 эВ) – элементы 4-йабвгруппы периодической системыРис. 1.4. Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрикэлементов Менделеева, а также арсенид галлия GaAs ( W  1,43 эВ).Всего лишь около 10 лет назад в качестве доступного материала для полупроводниковых приборовстал рассматриваться карбид кремния SiC , что стало возможным благодаря развитию технологии выращивания кристаллов требуемого размера в необходимых количествах. Ширина запрещенной зоны укарбида кремния W  2,43,4 эВ для разных политипов.Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить с одного энергетическогоуровня на другой свободный уровень, электроны в твердом теле могут совершать переходы внутриразрешенной зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешеннойзоны в другую.

Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещенияэлектрона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется очень малая энергия, порядка 10 8 10 4 эВ , что может быть следствием тепловых колебаний атомов; ускорений электроновдаже под действием слабых внешних электрических полей; попадания в атом кванта световой энергии– фотона, а также ряда других видов внешних воздействий.Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию,равную ширине запрещенной зоны.

При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, так как энергия, приобретаемая электроном, движущимся ускоренно на длине свободного пробега, недостаточна для преодоления запрещенной зоны.

Длиной свободного пробега является расстояние,проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллической решетки.Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действием электрического полязависит от структуры энергетических зон и степени их заполнения электронами.Необходимым условием возникновения электрической проводимости в твердом теле являетсяналичие в разрешенной зоне свободных или не полностью занятых энергетических уровней. Так, в металлах зона проводимости частично заполнена и под действием температуры электроны могут переходить из полностью заполненных зон в зону проводимости.

Однако их концентрация всегда мала посравнению с концентрацией валентных электронов. Поэтому концентрация электронов в металлахпрактически не зависит от температуры и зависимость электропроводности металлов от температурыобусловлена только подвижностью электронов, которая уменьшается с увеличением температуры изза увеличения амплитуды колебания атомов в кристаллической решетке, что влечет за собой уменьшение длины свободного пробега электрона.У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частично заполненных зон.

Притемпературе абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому эти вещества проводить ток не могут. Однако если этому веществу сообщить достаточное количество энергии, то электроны, приобретая дополнительное количество энергии, могутпреодолеть ширину запрещенной зоны и перейти в зону проводимости.

В этом случае вещество приобретает некоторую электропроводность, которая возрастает с ростом температуры.7А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекций1.3. Собственная электропроводность полупроводниковРассмотрим строение полупроводникового материала, получившего наиболее широкое распространение в современной электронике, – кремния ( Si ). В кристалле этого полупроводника атомырасполагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружной электронной оболочки образуют устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентныхэлектронов принадлежит одновременно двум соседниматомам и образует связывающую эти атомы силу.

Так каку элементов IV группы на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона, тов идеальном кристалле полупроводника все ковалентныесвязи заполнены и все электроны прочно связаны со своими атомами (рис. 1.5).Рис. 1.5.

Структура связей атома кремнияв кристаллической решеткеПри температуре абсолютного нуля ( T  0 K) всеэнергетические состояния внутренних зон и валентнаязона занята электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста. Поэтому в этих условиях кристаллполупроводника является практически диэлектриком.При температуре T  0 К в результате увеличенияамплитуды тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки дополнительной энергии, поглощенной каким-либо электроном, может оказаться достаточно для разрыва ковалентной связи и перехода взону проводимости, где электрон становится свободным носителем электрического заряда (рис. 1.6).Электроны хаотически движутся внутри кристаллической решетки и представляют собой такназываемый электронный газ. Электроны при своемдвижении сталкиваются с колеблющимися в узлахкристаллической решетки атомами, а в промежутках между столкновениями они движутся прямолинейно и равномерно.Одновременно с этим у того атома полупроводника, от которого отделился электрон, возникаетнезаполненный энергетический уровень в валентРис.

1.6. Генерация пары свободныхной зоне, называемый дыркой.носителей заряда «электрон – дырка»Дырка представляет собой единичный положительный электрический заряд и может перемещаться по всему объему полупроводника под действием электрических полей, по законам диффузии в результате разности концентраций носителейзаряда в различных зонах полупроводника, а также участвовать в тепловом движении.Таким образом, в идеальном кристалле полупроводника при нагревании могут образовыватьсяпары носителей электрических зарядов «электрон – дырка», которые обуславливают появление собственной электрической проводимости полупроводника.Процесс образования пары «электрон – дырка» называют генерацией свободных носителей заряда.После своего образования пара «электрон – дырка» существует в течение некоторого времени,называемого временем жизни носителей электрического заряда.В течение этого промежутка времени носители участвуют в тепловом движении, взаимодействуют с электрическими и магнитными полями как единичные электрические заряды, перемещаютсяпод действием градиента концентрации, а затем рекомбинируют, т.

Характеристики

Список файлов учебной работы