Лекции радиотехника и электротехника. ЛЕКЦИИ_КОЛОДЕЖ_ЮВ_Электротехника_и_электроника. Москва 2012 Содержание
 Скачать 4.47 Mb.
|
Основные понятия радиоэлектроникиДиэлектрики, полупроводники и проводникиВ настоящее время известны тысячи кристаллических веществ, это и сравнительно простые металлы и их сплавы и кристаллы со сложной структурой, уникальные свойства которых обусловлены особым расположением большого числа атомов. Между тем состоят все эти кристаллы всего из нескольких десятков сортов атомов, но по-разному расположенных относительно друг друга. Известно, что электромагнитное взаимодействие между атомами заставляет атомы объединяться и формировать разные типы кристаллической решетки. Ионные кристаллы формируются под влиянием электростатического притяжения разноименно заряженных и отталкивания одноименно заряженных ионов. Ковалентные кристаллыобразуются за счет ковалентных связей между атомами. Ковалентная связь образуется за счет перекрытия электронных облаков, в результате между атомами образуется сгусток отрицательного заряда, который стягивает два атома. Кроме этих типов кристаллов известны и другие (молекулярные кристаллы с водородными связями, Ван-дер-Ваальсовы кристаллы с диполь-дипольными связями), но для электротехнике наибольший интерес представляют металлические кристаллы. Металлические кристаллы. В металлических кристаллах внешние электроны атомов могут свободно перемещаться между ионными остовами. Эти электроны образуют как бы отрицательно заряженный «туман», в котором находятся ионы металла. Взаимодействие этих ионов друг с другом и с электронным «туманом» ведет к упорядоченному расположению ионов в металле. В случае переходных металлов происходит также и перекрытие их электронных оболочек и образование подобия ковалентных связей, ведущее к дополнительному увеличению энергии связи в металле. Металлические кристаллы образуют большой класс материалов, называемых проводниками. Некоторые кристаллы ток практически не проводят, их принято считать изоляторами. Между этими группами твердых тел есть и вещества, называемые полупроводниками, с промежуточными значениями электропроводности. Такие сильные различия в электропроводности связаны с особенностями распределения электронов по энергетическим уровням формирующих кристалл атомов. Энергетические состояния электронов в твёрдых телахДля определения энергетического состояния электрона необходимо решить уравнения Шредингера, что является сложной задачей. Рассмотрим более простую задачу - об одномерном движении электрона в периодическом потенциале кристаллической решётки (модель Кронига-Пенни). В рамках этой модели выделяют всего два приближения по уровням связей электронов с атомами: 1) сильная связь, когда электрон со своим атомом имеет более сильную связь, чем с другими атомами, 2) связь почти свободных электронов. Эта связь для нас представляет наибольший интерес. Решение для этого случая уравнения Шредингера (Толмачев В.В. Квантовая физика полупроводников. М.: Эликс. - 1997. - 83 с.) В результате получается, что энергия электрона может принимать не все значения, а именно, на шкале имеются участки с разрешенными значениями энергии и участки запрещенных значений энергии (смотри рисунок 13). Промежуток на шкале , в котором нет разрешенных значений , называют запрещенной энергетической зоной (или запрещенной энергетической полосой), а промежуток, в котором имеются разрешенные значения , называют разрешенной энергетической зоной (или разрешенной энергетической полосой).  Рисунок 15. Энергетические состояния электронов в твёрдых телах Рисунок показывает, что при потенциальном воздействии атомов на электрон очень слабом (V→ 0 ) разрешённые зоны сливаются. Характер заполнения зон электронами определяет механизм проводимости вещества и объясняет деление веществ на диэлектрики полупроводники и проводники. Сначала заполняются зоны с меньшей энергией, они оказываются полностью заполненными. Зона полностью заполненная, но обладающая наибольшей энергией, называется валентной зоной. Следующая за ней зона, называемая зоной проводимости, может быть не заполненной или частично заполненной (смотри рисунок 13). Не заполненная зона соответствует случаю полупроводников и диэлектриков, а частично заполненная зона соответствует случаю проводников.  Рисунок 16 Схема заполнения энергетических зон в веществе 1 – запрещённая зона 2 – зона проводимости 3 – запрещённая зона 4 – валентная зона Щелочные и благородные металлы, как известно, имеют один валентный электрон. Зона с наибольшей энергией у них будет заполнена наполовину, что соответствует схеме на рисунке 14а. Такие металлы хорошо проводят электрический ток. Четырехвалентный углерод (алмаз) имеет полностью заполненную валентную зону, отделенную от зоны проводимости запрещенной зоной Еg порядка 5 эВ; алмаз оказывается хорошим изолятором. Ионные кристаллы, являющиеся диэлектриками, также состоят из атомов с полностью заполненными валентными зонами. Четырехвалентные кремний и германий имеют полностью заполненную валентную зону, отделенную от зоны проводимости запрещенной зоной порядка 1,2 и 0,7 эВ соответственно (рисунок 14 б), электроны могут при комнатной т-ре переходить из валентной зоны в зону проводимости; кремний и германий являются самыми распространенными полупроводниками. Электропроводность германия при нагреве увеличивается быстрее, чем кремния, поскольку ширина запрещенной зоны германия меньше, чем кремния. Электропроводность полупроводниковЭлектропроводность полупроводников появляется уже при комнатной температуре. Некоторые электроны валентной зоны приобретают такую энергию, что способны преодолеть запрещенную зону и оказаться в зоне проводимости. Покидая валентную зону, они уносят с собой отрицательный заряд, то есть в валентной зоне создается нехватка отрицательного заряда. Этот недостаток отрицательности, или положительный заряд, называется дыркой. В полупроводнике образуется двоякая проводимость - движение отрицательных зарядов электронов и положительных зарядов – дырок.  Рисунок 17 Распределение электронов по состояниям в полупроводнике 1 – валентная зона 2 – запрещённая зона 3 – зона проводимости Беспримесные полупроводники. Рассмотрим полупроводник кремний, имеющий кристаллическую структуру типа алмаза, в которой каждый атом соединен четырьмя валентными связями с ближайшими соседями. При температуре Т=0К все связи заполнены электронами, что соответствует полностью заполненной валентной зоне и пустой зоне проводимости, отделенной от валентной зоны по энергии на 1,1 эВ. При увеличении температуры до примерно 200-300 К некоторые электроны из валентной зоны смогут перейти в зону проводимости; это соответствует "уходу" электрона из ковалентной связи 1 (смотри рисунок 15) превращению его в "свободно перемещающийся" по кристаллу электрон.  Рисунок 18 Образование и движение электронов и дырок в полупроводниках На месте опустевшей ковалентной связи образуется дырка - "разорвавшаяся" ковалентная связь, которую покинул электрон. Электрон из соседней связи может "перескочить" в "дырку", тогда дырка как бы переместится на новое место 2 (см. рис.16). Поскольку электроны и дырки образуются парами, то, очевидно, что число дырок в рассмотренном случае равно числу электронов. Один из свободных электронов может занять одну из дырок; в результате они оба исчезнут, такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки (смотри рисунок 16). Вероятность рекомбинации пропорциональна произведению концентраций электронов и дырок. Вероятность зарождения пары электрон - дырка зависит от температуры полупроводника. Примесная проводимость полупроводников. Некоторые примеси даже при малых их концентрациях очень сильно изменяют проводимость полупроводника. Такие примеси приводят к появлению избыточного количества или свободных электронов, или дырок. Их называют соответственно донорными примесями (отдающими электроны) или акцепторными примесями (забирающими электроны). Получившийся после добавления донорных примесей полупроводник называют донорным полупроводником. Его также называют электронным (так как в нем - избыток свободных электронов) или же полупроводником -типа: от слова - отрицательный, поскольку в нем - избыток отрицательных свободных носителей заряда. Получившийся после добавления акцепторных примесей полупроводник называют акцепторным полупроводником. Его также называют дырочным (так как в нем - избыток свободных дырок) или же полупроводником -типа: от слова - положительный, поскольку в нем - избыток положительных свободных носителей заряда. Донорные полупроводники - получаются при добавлении в полупроводник элементов, от которых легко "отрывается" электрон. Например, если к четырехвалентному кремнию (или германию) добавить пятивалентный мышьяк (или фосфор), то последний использует свои 4 валентных электрона для создания 4 валентных связей в кристаллической решетке, а пятый электрон окажется "лишним", такой электрон легко отрывается от атома и начинает относительно свободно перемещаться по кристаллу. В таком случае в кристалле образуется избыток свободных электронов. Не следует забывать и об образовании пар электрон - дырка, как это рассматривалось в случае беспримесного полупроводника, однако для этого требуется значительно большая энергия, и поэтому вероятность такого процесса при комнатных температурах достаточно мала. Электроны в донорном полупроводнике принято называть основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда. На языке зонной теории появление "легко отрывающихся" электронов соответствует появлению в запрещенной зоне донорных уровней вблизи нижнего края зоны проводимости. Электрону для перехода в зону проводимости с такого уровня требуется меньше энергии, чем для перехода из валентной зоны (смотри рисунок 17), чему соответствует уход электрона из обычной ковалентной связи.  Рис. 19 Схема электронных состояний донорного полупроводника 1 – зона проводимости 2 – донорский уровень 3 – запрещённая зона 4 – валентная зона При температурах порядка комнатной основной вклад в проводимость полупроводника будут давать электроны, перешедшие в зону проводимости с донорных уровней, вероятность же перехода электронов из валентной зоны будет очень мала. При увеличении температуры значительная часть электронов с малого числа донорных уровней перейдет в зону проводимости, кроме того, вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости станет значительной. Поскольку число уровней в валентной зоне много больше, чем число примесных уровней, то с ростом температуры различие увеличивающихся концентраций электронов и дырок станет менее заметно; они будут отличаться на малую величину - концентрацию донорных уровней. Донорный характер полупроводника при этом будет все менее и менее выражен. И, наконец, при еще большем повышении температуры концентрация носителей заряда в полупроводнике станет очень большой, и донорный полупроводник станет аналогичен беспримесному полупроводнику, а затем - проводнику, зона проводимости которого содержит много электронов. Акцепторные полупроводники - получаются при добавлении в полупроводник элементов, которые легко "отбирают" электрон у атомов полупроводника. Например, если к четырехвалентному кремнию (или германию) добавить трехвалентный индий, то последний использует свои три валентных электрона для создания трех валентных связей в кристаллической решетке, а четвертая связь окажется без электрона. Электрон из соседней связи может перейти на это пустое место, и тогда в кристалле получится дырка (смотри рисунок 18). В таком случае в кристалле образуется избыток дырок. Не следует забывать и об образовании пар электрон - дырка, как это рассматривалось в случае беспримесного полупроводника, однако вероятность этого процесса при комнатных температурах достаточно мала. Дырки в акцепторном полупроводнике принято называть основными носителями, а электроны - неосновными. На языке зонной теории переход электрона из полноценной ковалентной связи в связь с недостающим электроном соответствует появлению в запрещенной зоне акцепторных уровней вблизи нижнего края зоны проводимости (смотри рисунок 18). Электрону для такого перехода из валентной зоны на акцепторный уровень (при этом электрон просто переходит из одной ковалентной связи в почти такую же другую связь) требуется меньше энергии, чем для перехода из валентной зоны в зону проводимости (смотри рисунок 18), то есть для "полного ухода" электрона из ковалентной связи.  Рисунок 20. Схема электронных состояний акцепторного полупроводника 1 – зона проводимости 2 – акцепторный уровень 3 – запрещенная зона 4 – валентная зона При температурах порядка комнатной основной вклад в проводимость полупроводника будут давать дырки, образовавшиеся в валентной зоне после перехода валентных электронов на акцепторные уровни, вероятность же перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости будет очень мала. При увеличении температуры значительная часть малого числа акцепторных уровней окажется занятой электронами. Кроме того, вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости станет значительной. Поскольку число уровней в валентной зоне много больше, чем число примесных уровней, то с ростом температуры различие увеличивающихся концентраций электронов и дырок станет менее заметно, так как они отличаются на малую величину - концентрацию акцепторных уровней. Акцепторный характер полупроводника при этом будет все менее и менее выражен. И, наконец, при еще большем повышении температуры концентрация носителей заряда в полупроводнике станет очень большой, и акцепторный полупроводник станет аналогичен сначала беспримесному полупроводнику, а затем - проводнику. Итак, при постепенном увеличении температуры наблюдается постепенное превращение как донорного, так и акцепторного полупроводника в полупроводник аналогичный беспримесному, а затем - в полупроводник аналогичный по проводимости проводнику. В этом заключается причина отказа при перегреве полупроводниковых устройств, состоящих из нескольких областей полупроводников донорного и акцепторного типов. При увеличении температуры различия между областями постепенно пропадает и в итоге полупроводниковое устройство превращается в монолитный кусок хорошо проводящего ток полупроводника. Полупроводниковый p-n- переходПолупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (смотри рисунок 19). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.  Рисунок 21 Распределение зарядов в области p-n- перехода В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области -типа может попасть в правую область -типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (смотри рисунок 21). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд. Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки - области от границы раздела полупроводников, а электроны -области - вправо от этой границы. С электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электрона в областях (смотри рисунок 21). Получается, что дырка для перехода из -области в -область должна "забраться" на потенциальный порог высоты . На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из -области в -область. Если к переходу приложить внешнюю разность потенциалов , как это показано на рис. 20 (а) (это - так называемое прямое включение перехода), то внешнее поле уменьшит существующее в кристалле поле , (так как не совпадает по направлению с внутренним), высота порогов на рисунке 22 уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет.  Рисунок 22 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при прямом включении внешнего напряжения на нем  Рисунок 23 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при обратном включении внешнего напряжения на нем |