Конспект лекций (3,4 семестр) для студентов 1 курса
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
Министерство образования Нижегородской области Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Нижегородский радиотехнический колледж» Дисциплина ОП.05 «Электронная техника» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ (3,4 семестр) для студентов 1 курса специальности 11.02.16 Монтаж, техническое обслуживание и ремонт электронных приборов и устройств г. Нижний Новгород 2021г. Содержание 1 Основы зонной теории …………………………………………….3 2 Внутреннее строение полупроводников………………………….5 Контактные явления………………………………………………..7 Полупроводниковые диоды……………………………………....16 5 Транзисторы…………………………………………………….....22 Буквенно-цифровое обозначение диодов, транзисторов…….....40 Внутренний и внешний фотоэффект………………………….…43 Лазеры……………………………………………………………...45 9 Усилительные устройства………………………………………..57 Литература…………………………………………………….…….90 Основы зонной теории 1.1 Классификация твердых тел по проводимости Все вещества состоят из атомов. Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц: протонов, электронов, нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны – отрицательный, нейтроны – электрически нейтральны (их заряд равен нулю). Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Атом является электрически нейтральным (положительный заряд ядра нейтрализуется отрицательными зарядами электронов). Каждой орбите соответствует определенная энергия: потенциальная и кинетическая. Потенциальная – за счет нахождения электрона на некотором расстоянии от ядра, кинетическая – за счет движения электрона. На орбите электрон удерживается за счет силы притяжения к ядру. Чтобы удалить электрон от ядра, необходимо преодолеть их взаимное притяжение, т.е. затратить некоторую энергию. Поэтому электроны, находящиеся на внешних (более удаленных) орбитах, обладают большей энергией, чем электроны, находящиеся на внутренних орбитах. , где - энергия Электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов, называются валентными. Они определяют химическую активность вещества – валентность (если на внешней орбите атома какого-то вещества находятся 4 валентных электрона, то это вещество является четырехвалентным). При сообщении дополнительной энергии (тепловой, световой, радиационной и т.д.) валентные электроны могут покинуть свою орбиту. Освободившиеся от внутриатомных связей электроны называются свободными. При возникновении свободного электрона нарушается электрическая нейтральность атома – появляется положительный ион. Процесс образования ионов называется ионизацией. При отсутствии электрического поля свободные электроны движутся хаотически. При наличии электрического поля движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным – возникает электрический ток. Электрический ток – это направленное движение носителей заряда (НЗ). Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность, т.е. способность вещества проводить электрический ток. По степени электропроводности твердые тела делятся на: проводники, полупроводники, диэлектрики. Энергетическая диаграмма твердого тела В 1890г. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой электроны в атоме не могут обладать произвольной энергией. Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона – так называемый разрешенный энергетический уровень. Энергия, которой не может обладать электрон, соответствует запрещенному энергетическому уровню. Все это относится к одному изолированному атому. Но твердое тело состоит из множества атомов, которые расположены настолько близко друг к другу, что на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов. В результате взаимодействия многих атомов происходит расщепление энергетических уровней на подуровни - возникают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней свободных электронов образует зону проводимости (ЗП). Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону (ВЗ). Энергетический промежуток, не содержащий энергетических уровней, называется запрещенной зоной. Энергетическая диаграмма твердого тела выглядит: Зона проводимости - запрещенная зона Валентная зона (безразмерная величина) – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в . Ширина запрещенной зоны ( ) определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Ширина запрещенной зоны влияет на электропроводность: если - данное вещество является диэлектриком; если - данное вещество является полупроводником; если - данное вещество является проводником. Таким образом, в проводнике запрещенная зона отсутствует. 2 Внутреннее строение полупроводников Атомы твердого вещества размещены в строго определенной последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя так называемую кристаллическую решетку. Связь соседних атомов друг с другом с помощью 2-х валентных электронов называется ковалентной связью (один электрон принадлежит одному атому, а второй - другому). Известно, что при абсолютном нуле у чистого (т.е. беспримесного) полупроводника электропроводность отсутствует (нет свободных электронов). Это связано с тем, что все электроны участвуют в ковалентных связях. При комнатной температуре часть валентных электронов получает тепловую энергию, достаточную для отрыва от атома, и переходит из валентной зоны в зону проводимости, т.е. становятся свободными. При этом ковалентная связь оказывается неполной (вместо 2-х валентных электронов присутствует 1). Отсутствие электрона в ковалентной связи называется дыркой. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды (имеют такой же по величине заряд, как и электроны, только со знаком «+»). Процесс образования пары (свободный электрон + дырка) называется генерацией. Дырка может быть заполнена электроном – валентным или свободным. В первом случае валентный электрон переходит на место дырки из соседней ковалентной связи, образуя дырку в новом месте. Таким образом, дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупроводнике, т.е. являются носителями заряда. Во втором случае исчезают два носителя заряда: свободный электрон и дырка. Процесс заполнения дырки свободным электроном называется рекомбинацией. Рекомбинация – это процесс восстановления разорванной ковалентной связи, т.е. процесс, обратный генерации. 2.1 Примесная проводимость полупроводника В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества замещена атомами другого вещества – примесью. Введение в чистый полупроводник примесей называется легированием. Легирование резко изменяет свойства полупроводника. Основные полупроводниковые элементы (германий, кремний) четырехвалентны. Для легирования используются либо трехвалентные элементы: индий (In), бор (В), алюминий (Al); либо пятивалентные: фосфор (Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), т.е. валентность примеси должна отличаться от валентности основного вещества на единицу. 2.1.1 Донорная (электронная) проводимость Если к четырехвалентному чистому полупроводнику добавить пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона атома примеси будут взаимодействовать с 4-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя четыре прочные ковалентные связи. Пятый валентный электрон атома примеси оказывается лишним – ему не хватает пары. Этот пятый электрон слабо связан с атомом, поэтому уже при комнатной температуре (получив тепловую энергию) легко отрывается от атома и становится свободным. Атом примеси при этом ионизируется – становится положительным ионом. При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы. Кроме процесса ионизации в таком полупроводнике происходит еще процесс генерации, в котором участвуют атомы чистого полупроводника. При этом часть валентных электронов этих атомов, получив тепловую энергию в виде комнатной температуры, переходит из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и становится свободными. На их месте в валентной зоне образуются дырки. Происходящие процессы можно изобразить следующим образом: Процесс ионизации (участвуют атомы примеси) Процесс генерации (участвуют атомы чистого полупроводника) большое количество положительных ионов большое количество свободных электронов малое количество свободных электронов малое количество дырок Таким образом, в результате двух процессов в таком полупроводнике носители заряда распределяются следующим образом: имеется большое количество свободных электронов и малое количество дырок. Ионы носителями заряда не являются (не перемещаются), поэтому речь о них не идет. Пятивалентная примесь называется донорной (от слова «донор» - отдать) или электронной, т.к. основными носителями заряда (ОНЗ) в этом полупроводнике являются электроны. Дырки в этом полупроводнике будут являться неосновными носителями заряда (ННЗ). Полупроводник с электронной проводимостью называется донорным полупроводником или полупроводником n-типа (буква «n» - первая буква слова negative – отрицательный). 2.1.2 Акцепторная (дырочная) проводимость Введем в чистый полупроводник трехвалентную (акцепторную) примесь. При этом 3 валентных электрона атома примеси взаимодействуют с 3-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя три прочные ковалентные связи. Четвертая ковалентная связь оказывается неполной – для нее не хватает электрона примеси, а значит, на этом месте образуется дырка. Эта дырка может быть заполнена валентным электроном из соседней ковалентной связи, но тогда возникнет дырка в другом месте и т.д. Валентный электрон, заполнивший дырку, ионизирует атом примеси – возникает отрицательный ион. Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы. Кроме процесса ионизации в таком полупроводнике также происходит процесс генерации, в котором участвуют атомы чистого полупроводника. При этом часть валентных электронов этих атомов, получив тепловую энергию в виде комнатной температуры, переходит из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и становится свободными. На их месте в валентной зоне образуются дырки. Происходящие процессы можно изобразить следующим образом: Процесс ионизации (участвуют атомы примеси) Процесс генерации (участвуют атомы чистого полупроводника) большое количество отрицательных ионов большое количество дырок малое количество свободных электронов малое количество дырок Таким образом, в результате двух процессов в таком полупроводнике носители заряда распределяются следующим образом: имеется большое количество дырок (ОНЗ) и малое количество свободных электронов (ННЗ). Проводимость в данном случае будет дырочной, а полупроводник – акцепторный или полупроводник p-типа (буква «p» - первая буква слова positive – положительный). 2.2 Токи в полупроводниках В полупроводнике электрический ток может быть вызван двумя причинами: электрическим полем; разностью концентраций носителей заряда. 2.2.1 Дрейфовый ток Рассмотрим первую причину. Направленное движение носителей заряда (НЗ) под действием электрического поля называется дрейфовым током. Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки начнут перемещаться в противоположных направлениях (электроны будут двигаться к плюсовой клемме источника питания, т.е. в сторону, противоположную направлению поля, а дырки – к минусовой, т.е. по направлению поля) – возникнет дрейфовый ток. полупроводник Ө IДР Е UПИТ Е – напряженность электрического поля За направление тока принято считать направление движения дырок. 2.2.2 Диффузионный ток Диффузионный ток – это направленное движение НЗ, возникающее из-за разности их концентраций. Если какую-то часть полупроводника нагреть, то в этой области возникнет повышенная концентрация зарядов (за счет термогенерации, т.е. генерации, вызванной тепловой энергией). Но чем выше концентрация НЗ, тем больше вероятность столновения электронов друг с другом, в результате чего электроны будут как бы «выталкиваться» из области с повышенной концентрацией НЗ в область, где эта концентрация ниже. Таким образом, НЗ стремятся к выравниванию концентраций. Это явление получило название «диффузия» - проникновение. 3 Контактные явления 3.1 p-n переход P-n переход – это контакт двух полупроводников с разной проводимостью. Контакт нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводников, т.к. при этом неизбежен слой воздуха, окислов, грязи. Для получения p-n перехода используется особая технология. p n d – толщина перехода d (0,1÷1) мкМ (1мкМ=10-6 М) Заштрихованная область называется приконтактной областью. 3.1.1Обратное включение p-n перехода Переход находится под обратным напряжением, если знаки клемм источника питания противоположны знакам ОНЗ соответствующих областей перехода. p n 0НЗ Ө ОНЗ ЕВН IОБР ЕВНЕШН о о UОБР – поле, вызванное потенциальным барьером перехода. Потенциальный барьер – это разность потенциалов, возникающая за счет наличия отрицательных ионов примеси в полупроводнике p-типа и положительных ионов примеси в полупроводнике n-типа. всегда направлено из n-области в p-область. – поле, вызванное внешним источником питания . Эти поля совпадают по направлению (сонаправлены), поэтому суммарное поле будет равно: . Под действие суммарного поля ОНЗ начнут оттягиваться от границ перехода вглубь полупроводников. При этом толщина перехода, а, следовательно, и его сопротивление увеличатся, ток через такой контакт будет протекать очень незначительный. Причем, этот ток будет образован движением ННЗ, т.е. будет являться дрейфовым током. Ток диффузии в данном случае будет стремиться к нулю. Таким образом, ток, протекающий через обратно смещенный переход, будет равен: , где - тепловой ток (т.к. этот ток сильно зависит от температуры, с ростом температуры он резко возрастает.). Тепловой ток мал по величине, т.к. сопротивление обратно смещенного перехода велико. 3.1.2 Прямое включение p-n перехода Переход находится под прямым напряжением, если знаки клемм источника питания совпадают со знаками ОНЗ соответствующих областей перехода. p n 0НЗ Ө ОНЗ ЕВН IПР ЕВНЕШН о о UПР Суммарное поле перехода в данном случае будет равно: , т.к. поля направлены навстречу друг другу. Под действием суммарного поля ОНЗ начнут перемещаться в приконтактную область, увеличивая ее проводимость, а, следовательно, уменьшая сопротивление и толщину перехода. Через такой контакт будет протекать большой ток. Причем, этот ток будет образован ОНЗ, т.е. будет являться диффузионным током. Током дрейфа в данном случае можно пренебречь, т.к. он много меньше тока диффузии. Таким образом, ток, протекающий через прямо смещенный переход, будет равен: , где - тепловой ток; - основание натурального логарифма; - заряд электрона; - приложенное к переходу напряжение; - постоянная Больцмана; - температура (в градусах по Кельвину). Как видно из формулы, ток через прямо смещенный переход изменяется по экспоненциальному закону при изменении напряжения. |