29_kospect_electro (555831)
Текст из файла
Раздел IПолупроводниковая электроникаЭлектрофизические свойства полупроводниковЛекция 1. Введение в электронику. Основные физические процессы в полупроводникахЭлектроника как область науки и техники. Классификация электронных приборов. Общая характеристикаполупроводниковой электроники.
Энергетическая диаграмма собственного полупроводника с распределениемподвижных носителей заряда по энергиям. Определение уровня Ферми. Энергетическая диаграмма примесныхполупроводников n – иp – типов. Понятие вырожденного полупроводника. Формирование тока вполупроводниках. Диффузионная и дрейфовая составляющие тока.Электроника – область науки и техники, занимающаяся изучением и применением электронныхпроцессов в различных средах при их взаимодействии с электромагнитными полями.
Основное назначениесоздаваемых на основе электронных процессов приборов состоит в энергетическом и спектральномпреобразовании электромагнитных полей, передаче и приеме электромагнитных сигналов, накоплении ихранении информации. С развитием технической базы информационных систем расширяются областиприменения электронных явлений и функциональные возможности электронных приборов.Наибольший интерес для широкого класса приборов представляет изучение электронных процессов втвердом теле, вакууме, ионизированном газе и жидкости.
В связи с этим общая классификация электронныхприборов основывается на взаимодействии электромагнитных полей с заряженными частиц в полупроводниках,вакууме и ионизированном газе. Исторически развитие электроники сводилось к созданию электровакуумныхустройств, физические процессы в которых достаточно хорошо изучены для решения определенных задач втехнике связи и радиолокации. В настоящее время широкое распространение получили электронные приборы наоснове различных полупроводниковых структур, успешно решающие задачи по созданию принципиально новыхинформационных технологий, автоматизации производства и вычислительной технике. Основное преимуществополупроводниковой электроники состоит в создании элементной базы для функционально интегрированныхустройств с высокой степенью надежности и малыми энергетическими затратами.По выполняемым функциям электронные приборы можно разделить на усилительные устройства,генераторы электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот, выпрямители и стабилизаторынапряжения, преобразователи различных видов энергии (электрической, световой, механической и др.).
Взависимости от диапазона частот в электронных приборах используются различные принципы управленияпотоками заряженных частиц в полупроводниках, вакууме и газовой среде. На относительно низких частотахдлительность управляющего сигнала существенно превосходит время пролета электронами пространствавзаимодействия с управляющим электрическим сигналом и инерционные свойства электронов не проявляются.Это устройства со статическим управлением электронным током, при котором изменение тока в электронномприборе совпадают по фазе с управляющем напряжением. Особые условия для взаимодействия электрическогосигнала с электронными потоками имеют место в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне, по принятомуделению диапазонов электромагнитных колебаний это область частот от 300 МГц до 300 ГГц. Необходимостьперехода к устройствам, работающим в высокочастотной области спектра электромагнитных колебаний, вызванарасширением информационных каналов связи и созданием радиолокационных систем с необходимымпространственным разрешением антенных устройств, реализуемом в СВЧ диапазоне.
В указанных приборахсоздаются условия для энергетических преобразований с электромагнитными полями на основе механизмадинамического управления потоками свободных электронов в вакууме, полупроводниках и ионизированныхгазах.В связи с необходимостью создания когерентных источников электромагнитного излучения в СВЧ иоптическом диапазонах волн интенсивно развивались представления об использовании энергии так называемыхактивных сред для генерации и усиления излучения на основе квантовых эффектов. В таких средах электронынаходятся внутри квантовых частиц (атомов и молекул), энергетические состояния которых определяютсядискретными уровнями энергии электронов.
Эти связанные с атомами и молекулами электроны обеспечиваютнеобходимые обмены энергией с электромагнитными полями для создания когерентного излучения,обладающего высокой степенью направленности и стабильностью частоты. Соответствующие электронныеприборы получили в СВЧ диапазоне название мазеров, в оптическом диапазоне - это лазеры на различныхэнергетически активных средах.
Развивающаяся область квантовой электроники, позволила разработать новыйкласс электронных приборов, в которых используются явления в полупроводниках для генерации и приемаоптического излучения в интегрированных оптико-электронных информационных системах. Учитывая особуюместо явлений в полупроводниках в современных электронных приборах, рассмотрим в основной части учебногокурса электроники электрофизические свойства полупроводников и характерные полупроводниковые структуры,необходимые для понимания процессов в широко развивающейся области микроэлектроники.По удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточное положение между металлами идиэлектриками.
Особенности электропроводности полупроводников:• температурный коэффициент электропроводности отрицателен, с увеличением температуры их сопротивлениеуменьшается;• сильное влияние примесей в полупроводнике на электропроводность(~10-5 % примесей, электропроводностьувеличивается в 102 раз.);• изменение электропроводности под действием света.Полупроводники – наиболее распространённые вещества в природе. В электронике применяетсяограниченное число полупроводниковых веществ из-за предъявляемых к ним требований по удельномусопротивлению, температурной зависимости и времени жизни носителей заряда. Этим требованиямудовлетворяют монокристаллы германия (Ge) и кремния (Si), а также другие полупроводниковые вещества.Структура полупроводников кремния и германия представляет собой кристаллическую решётку. В идеальнойкристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами при достаточно низкой температуре.
Сповышением температуры происходит разрыв электронных связей, часть электронов становится свободными, приэтом образуются свободные места в атомах, которые покинул электрон – это «дырки». Дырка ведет себя подобночастице с положительным зарядом, равным заряду электрона и массой близкой к массе электрона.В абсолютно чистом полупроводнике происходит генерация электронно-дырочных пар, при этомконцентрации электронов n i и дырок p i одинаковы, такой полупроводник обладает собственнойпроводимостью, которая зависит зависят только от температуры. В примесных полупроводниках концентрацияэлектронов и дырок существенно отличаются.
Вводимые в полупроводник примеси, отдающие в зонупроводимости полупроводника электроны, называются донорными примесями. Акцепторные примесипринимают электроны и образуют дырки в валентной зоне атома полупроводника. В качестве донорных примесейиспользуют элементы 5 группы таблицы Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма. В качестве акцепторныхпримесей - элементы 3 группы: бор, алюминий, галлий, индий.В полупроводнике с донорной примесью концентрация примесных электронов превышает концентрациюсобственных электронов и дырок. Это полупроводник n – типа, в таком полупроводнике основными носителямизаряда являются электроны, а не основными дырки, концентрации электронов n n значительно большеконцентрации дырок p n . При введении в полупроводник акцепторной примеси в кристаллической решетке врезультате отбора электрона атомом примеси образуется дырка и атом акцептора превращается в отрицательныйион.
В дырочном полупроводник концентрация дырок p p превосходит концентрацию свободных электроновnp .Для сравнения электрофизических свойств металлов, полупроводников и диэлектриков рассмотримэлементы зонной теории твердого тела (рис.1.1). Из квантовой механики известно, что каждый атомхарактеризуется, дискретным спектром энергий E1, E2…Еn, разрешенных для электронов. Совокупность близкорасположенных энергетических уровней называется энергетической зоной, это валентная зона, запрещенная зонаи зона проводимости, в которой расположены энергетические уровни свободных электронов. Образованиесвободных электронов связано с передачей валентным электронам энергии, превышающей ширинузапрещенной зоны.
В металлах энергетические уровни сливаются в единую зону. При этом значительнаячасть электронов являются свободными, чем объясняется хорошая электропроводность металлов. Вдиэлектриках существует значительная по ширине энергии запрещенная зона, вследствие чего вобычных условиях в зоне проводимости отсутствуют электроны. В полупроводниках шириназапрещенной зоны значительно меньше, при этом возможно образование свободных электронов припередаче валентным электронам тепловой энергии или энергии квантов света.Рис.
1.1. Сравнение зонных структурметаллов, полупроводников идиэлектриковВ квантовой механике энергетические состояния электронов описываются вероятностями их нахождения наопределенном энергетическом уровне с энергией Е в соответствии с функцией Ферми - Дирака:F (E ) =1,E − EFexp() +1kT(1.1)EF - уровень Ферми, kТ - средняя энергия электронов, k- постоянная Больцмана, Т - температура в Кельвинах(при обычной температуре Т=300 К, kТ=0,025 эВ).На рис.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
