Физические основы электроники

Физические  основы электроники 

  Введение 

     Дисциплина  «ФОЭ» является теоретической основой при изучении таких дисциплин, как «Преобразовательная техника», «Электрические и электронные аппараты», «Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах» и др. Имеет целью изучение общих физических свойств электронных устройств входящих в состав различных электрических и электронных установок, а также характеристик и основ расчета электронных устройств.

     К физической электронике относятся электронные и ионные процессы в вакууме, газах и полупроводниках, а также на поверхности раздела между вакуума или газом и твердыми или жидкими телами,

     В технической электронике изучаются устройство электронных приборов и их применение в технике.

     Область, посвященную применению электронных приборов в промышленности, называют – промышленной электроникой.

     Основой для электроники являются работы физиков XVIII и XIX вв. В России - Ломоносов и Рихман, в Америке – Франклин, которые независимо друг от друга исследовали электрические разряды в воздухе.

     В 1873 г. также независимо друг от друга русский академик Лодыгин и американский изобретатель Эдисон изобрели электровакуумный прибор – лампу накаливания.

     В конце XIX, начале XX веков разрабатывается электронная теория. С этого времени начинается развитие электроники: открываются законы фотоэффекта, термоэлектронная эмиссия, изготавливается первая электронно-лучевая трубка. До 30-ых годов XX века создавались и усовершенствовались электронные лампы. С 30-ых годов происходит интенсивное развитие полупроводниковой техники. Особенно большой вклад в это внесли ученые Ленинградского физтеха под руководством академика А. Ф. Иоффе.

     С 1949 года в СССР началось производство транзисторов, которые были изобретены в 1948 г. в США. В конце 60-ых, начале 70-ых годов начат выпуск ИМС (БИС).

     Промышленность  выпускает большое количество различных  типов полупроводниковых приборов.

     По  сравнению с электронными лампами  полупроводниковые приборы имеют  следующие достоинства:

• малую массу и размеры;
• отсутствие затраты энергии на накал;
• более высокую надежность и срок службы;
• большую механическую прочность;
• более высокий КПД;
• возможность работы при низких питающих напряжениях;
• возможность использования в микроэлектронной аппаратуре;
• более низкую стоимость.

Недостатками полупроводниковых приборов являются:

• параметры и характеристики имеют значительный разброс;
• свойства и параметры сильно зависят от температуры;
• свойства и параметры приборов со временем ухудшаются;
• собственные шумы иногда больше, чем у электронных ламп;
• многие типы транзисторов не пригодны для работы на ВЧ;
• R_вх.тр<К_{вх.ламп};
• полезная мощность ниже, чему электровакуумных приборов;
• работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

 

Электропроводность полупроводников 

     Электроны в твердом теле не могут обладать произвольными энергиями. Энергия каждого электрона может принимать определеннее значения, называемые уровнями энергии, или энергетическими уровнями.

     Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т.е. находятся на более низких энергетических уровнях.

     При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более  низкий уровень выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий уровень (при воздействии источников тепла, света, электричества).

     В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома составляют валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах.

     В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях (за пределами оболочки атома, но вблизи нее). Эти уровни составляют зону проводимости, а электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим.

 
 
 
 

    Атомы вещества, отдавшие валентные электроны в зону проводимости, располагаются в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочные движение электронов проводимости, не участвующих в создании кристаллической решетки.

    У металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом отдает в зону проводимости хотя бы один электрон. Поэтому число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

     В диэлектриках между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень небольшое число электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную тепловую энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

    У полупроводников зонная диаграмма подобна диаграмме диэлектрика, только ширина запретной зоны меньше. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

    В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют 4 валентных электрона. Их кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной. 

Собственная электронная и  дырочная электропроводимость. 

     Полупроводники  представляют собой вещества, которые  по своей удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.

     Электропроводность - это свойство вещества проводить электрический ток.

     Удельная  электропроводимость — это величина, характеризующая электропроводность вещества.

     При Т=300 °К удельная электропроводимость:

у проводников 10⁴¸10⁶сн/см,

у диэлектриков 10¹⁰ сн/см,

у полупроводников 10^-10¸10⁴сн/см.

     В настоящее время для полупроводниковых приборов помимо Ge и Si используют химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InP и др.

     При возрастании температуры сопротивление  полупроводников уменьшается, а  не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от внешних воздействий (свет, электрическое поле, излучение и т.д.).

     В полупроводниках существует электропроводность двух типов: электронная и дырочная.

     Электронная электропроводимость обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, Которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны, сохраняя беспорядочное движение, под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Такое дополнительное движение и является электрическим током.

     Полупроводники  обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников.

     В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздействий один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет обладать положительным зарядом, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. В электролитах при ионной электропроводности ток представляет собой движение ионов (ион – путешественник), а при дырочной проводимости механизм перемещения электрических зарядов иной. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.

     Отсутствие  электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Дырки ведут себя, как элементарные положительные заряды.

     Один  из электронов, участвующих в ковалентной  связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т.е. свободным носителем заряда, и может перемещаться в кристаллической решетке. А его прежнее место становится свободным. Это место занимает электрон проводимости от соседнего атома, а сам соседний атом становится дыркой и т.д. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов. (Пример с креслами в зрительном зале).

     Электроны и дырки, которые могут перемещаться и создавать электропроводность называют подвижными носителями зарядов или просто носителями заряда. Под действием тепла, света и т.д. происходит генерация, пар носителей зарядов (пара: электропроводимости, дырка проводимости). Электроны проводимости могут снова занимать свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Исчезновение пар – процесс рекомбинации носителей заряда.

     Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i – типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. Электронная электропроводимость преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов, нежели дырок.

     Движение  носителей заряда под действием  электрического поля называется дрейфом носителей, а ток проводимости – дрейфовым током i_др.. Полный ток проводимости складывается из электронного i_{п др.}. и дырочного i_{р др} тока проводимости. 

      i_др. = i_{п др.}+ i_{р др}

(эти  токи складываются, т.к. движение  дырок представляет собой перемещение электронов). 

Примесная электропроводность 

      В полупроводниках  с примесями других веществ собственной электропроводности в полупроводниках добавляется примесная электропроводность, которая зависит от рода примесей и может быть электронной или дырочной. Процесс внесения примесей в полупроводник с целью изменения его электропроводимости называется легированием.

     Например.

     Четырехвалентный  германий легирован пятивалентным  мышьяком As (или сурьмой Sb, или фосфором Р). Их атомы взаимодействуют с атомами Ge четырьмя электронами, а пятый они отдают в зону проводимости. В этом случае приобретает электронною электропроводимость.

     Примеcи, атомы которых отдают электрону, называют донорами. Атомы доноров, отдавая электроны, становятся положительными. Полупроводники преобладанием электронной электропроводимости называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа.

     Если  четырехвалентный Ge легирован трехвалентным бором В или индием In, или алюминием А1, то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами (принимающими). Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа.