promel (967628), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Начало развития промышленной электроники было положено с"зданием электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая падеж 'дежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность, ми ' ь, громоздкость реализации явились в последующем тормозящифакторами расширения областей применения электроники, Электровак Р акуумные приборы в настоящее время находят ограниченное приисполь ' сине в промышленной электронике, а газоразрядные приборы ' ользуются препмуще:твенно в виде элементов индикации. Дальнейшему развитию информационной электроники способствовало создание в 1948 г.
транзистора, а энергетической электронини — разработка и последующее совершенствование силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров н транзисторов). Применение транзисторов позволяло на определенном этапе значительно повысить надежность, уменьшить потребление мощности, габариты, а также затраты на производство и эксплуатацию электронной аппаратуры. Однако общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры, связанной с усложнением возлагаемых на нее задач, вызвала необходимость перехода от аппаратуры на дискретных компонентах к ее интегральному исполнению.
Начинал с 70-х годов все ббльшая часть электронной аппаратуры стала производиться на интегральных микросхемах. Современный этап развития информационной электроники характеризуется широким использованием компонентов микроэлектроники, включая большие интегральные схемы. развитие энергетической электроники стимулируется всевозрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной частоты, а также непрерывным совершенствованием элементной базы (увеличением единичной мощности силовых полупроводниковых приборов, улучшением их динамических показателей, появлением приборов новых типов).
Все это позволяет создавать более эффективные условия генерирования, передачи и распределения электроэнергии, повышать электровооруженность труда, а также использовать более производительную технологию в различных отраслях промышленности. ГЛАВА ПЕРВАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ й 1.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. БЕСПРИМЕСНЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками.
Знание физической сущности электропроводности важно для последующего изучения принципа действия полупроводниковых приборов, их параметров и характеристик. Особенность электропроводиости полупроводников обусловливается спецификой распределения по энергиям электронов атомов, которое характеризуется энергетической диаграммой полупроводника. Прежде чем перейти к рассмотрению энергетических диаграмм кристаллических тел, ознакомимся с энергетической диаграммой изолированного атома. В соответствии с принципами квантовой меха- Иг ники электроны атома могут обладать определенны- е ми значениями энергии или находиться на определенных (разрешенных) э н е р г е т и ч е с к и х У Р о в н я х (рис.
1.1), В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, иа каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов (принцип Паули). Электроны низших уровней сильно связаны с атомом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, эта связь ослабевает. В отсутствие внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов, атом находится в исходаюм (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами, Рно 1 1. Знвра верхние — свободны.
При наличии внешних возта— действий (тепловые кванты — фононы, кванты све- рованнога ато- — фотоны, электрическое или магнитное поле и на др.) электроны атома приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни (возбуждение атома) или вовсе освобождаются от атома и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация атома).
При этом внешнему воздействию подвержены электроны высоких энергетических уровней, слабее связанные с атомом. Согласно квантовой теории, энергетическая диаграмма группы близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2). Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни энергии — поду р о в н и, При этом смешению подвергаются и уровни высоких энергий, где электроны слабо связаны с атомами. Подуровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энерг и и, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе.
Кристалл твердого тела характеризуется большим количеством близко расположенных атомов. Поэтому число подуровней, входящих в разрешенные зоны его энергетической диаграммы, довольно велико. Рис, !.2, Энергетнчесиая диаграмма группы Носители заряда в беспригиесных 1'чисгвгх) (четырех) близ- полупроводниких ио рзсполозкен" ных атомов На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы (рис.
! 2). В зависимости от электронной структуры атома н строения кристаллической решетки между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники. Расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части их энергетических диаграмм приведено на рис. !.3. В металлах (рис. !.3, а) энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, а в полупроводниках и диэлектриках — прерывистый (рис.
!.3, б, и). В полупроводниках и диэлектриках зоны разрешенных значений энергии отделены з а и р е щ е н н о й з о н о й энергии ЬУи. На энергетических диаграммах рис. 1.3 можно выделить две характерные зоны разрешенных значений энергии: нижнюю (заполненную), или в алентную, зону н верхнюю (свободную), илн зону пров од и м о с ти. В отсутствие внешних воздействий на электроны (электрического и магнитного полей, облучения квантами света), а также при Т =- 0 К все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней зоне электронов нет.
Рассмотрим различие в электропроводности указанных трех классов кристаллических тел с точки зрения особенностей их энергетических диаграмм. В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне (рис. 1.3, а). Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону свобод- гана ,тана прпппгпмппптп опта л ляг гопрпщпн нап гона ганне щп нап гона йаппнт пап 'гона а) ппенпгнан гона 6 апенпгнап яана Рис. !.3. Зиергетическаи диаграмма металла (о), по- лупроводиика (б) и диэлектрика (в) ных уровней.
Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое число свободных (не связанных с атомами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электрическую проводимость. В полупрооодмиках (рис. 1.3, б) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии Л(р'.. Величина А)Угв определяет энергию (в электрон-вольтах), которую нужно сообщить электрону, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне свободных уровней.
Необходимость сообщения достаточной энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов нз валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с металлом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости. Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температуры кристалла, которое проявляется воздействием на электроны атомов ~олупроводника тепловых квантов (фононов), излучаемых при тепловых колебаниях кристаллической решетки.
Повышению температуры соответствует увеличение энергии фононов и рост числа электРонов, способных получить необходимуго эпеогию для преодоления о запрещенной зовы. По этой причине с повышением температуры проводимость чистых полупроводников возрастает. Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел, относящихся к полупроводникам, не превышает 3 эВ. Их электрическая проводимость возникает при температуре выше 80 — 100 К. даолекпт)така (рис. 1.3, о) отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. У них гт)сгэ) 3 эВ и может достигать 6 — 10 эВ.
В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становится заметной лишь при температуре не ниже 400 — 800еС или сильных электрических полях (пробой). ! Наличие на энергетической диаграмме запрещенной зоны обусловливает особенности образования носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлами. Рассмотрим эти особенности на примере г е р м а н и я и к р е м н и я, получивших наибольшее распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
