Курс лекций по дисциплине Электроника и схемотехника 1

• Название: Курс лекций по дисциплине Электроника и схемотехника 1
• Анкор: gbgfb
• Дата: 15.08.2022
• Размер: 1.54 Mb.
• Имя файла: kurs lek.po elektron. i shemoteh.1, rus..docx
• Тип: Курс лекций; #645993
• страница: 1 из 4

Министерство сельского хозяйства Республики Казахстан

Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина

Краткий курс лекций
по дисциплине «Электроника и схемотехника 1»

специальность - «Радиотехника электроника и телекоммуникации»

Нур - Султан 2020

Лекция 1. Электропроводность полупроводников
В основе электроники и схемотехники ле­жит применение полупроводниковых приборов. Полупроводники занимают по электропроводности проме­жуточное положение между металлами и диэлектриками. Различие в электропроводности веществ об­условлено различием в. различием в разрешенных значениях уровней энергии электронов.

При образовании кристалла энергетические уровни ато­мов расщепляются, что приводит к образованию зон, со­стоящих из близко расположенных друг к другу энергети­ческих уровней. На энергетической диаграмме чистого по­лупроводника (рисунок 1.1, а) показаны: В - валентная зона, все уровни которой, при температуре абсолютного нуля, за­полнены электронами; С - зона свободных электронов (зона проводимости). На уровни зоны проводимости могут переходить электроны при возбуждении атомов. З- запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Нали­чие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую чем энергия запрещенной зоны W.

У металлов нет запрещенной зоны и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электрическую и тепловую провод­имость. У изоляторов ширина запрещенной зоны велика ( W > 4 эВ) и при обычных условиях электроны проводи­мости практически отсутствуют. Ширина запрещенной зоны W у наиболее распространенных полупроводников — германия (Ge) и кремния (Si) —составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Эти по­лупроводники принадлежат к IV группе элементов табли­цы Менделеева и имеют по четыре валентных электрона. На рисунке 1.1,а показана также схема кристаллической решетки этих полупроводников, где связи, образованные валентными электронами, обозначены двойными линиями.


W








а) б) в)

Рисунок 1.1 - Зонная диаграмма полупроводников
Из - за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной, некоторые электроны получают энергию, достаточную для того что­бы преодолеть запрещенную зону. В результате электрон переходит из валентной зоны в зону прово­димости. При уходе электрона, в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень, называемый дыркой. В крис­таллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей в кристалле полупроводника и появление свободного электрона. Свободный электрон начинает свободно пе­ремещаться по кристаллу. Узел решетки, ли­шенный одного из электронов связи, становиться дыркой. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее возобновит электрон из соседней связи. Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому, в ва­лентной зоне, удобно представить в виде противоположно направленного движения дырок, которым приписывается положительный заряд.

Таким образом, в крис­талле полупроводника происходит перемещение как свободных электронов, так и дырок . Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне называется генерацией собственных носителей заря­дов. Одновременно с процессом генерации носителей заря­дов протекает процесс их рекомбинации - встречи элек­тронов с дырками, сопровождающийся возвратом электро­на из зоны проводимости в валентную зону и исчезновени­ем свободных зарядов. Чаще всего рекомбинация происходит на дефектах кристаллической решетки. Эти дефекты служат центрами рекомбинации. Среднее время между моментами генерации и рекомби­нации называется временем жизни носителя заряда. Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной тем­пературе неизменно. Концентрации дырок и электронов в чис­том полупроводнике равны между собой, т.е. р_i= n_i( индекс i означает, что полупроводник собственный). В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике невелика. Поэтому по своим электрическим свой­ствам, чистый полупроводник близок к диэлектрикам.

Введение в чистый полупроводник даже небольших коли­честв примесей приводит к рез­кому изменению характера электропроводности. При введении в кремний или германий атомов примесей V группы элементов таблицы Менделеева, имеющие на внешней оболочке по пять валентных электронов - донорная примесь, один из валентных электронов оказывается лишним и не образует связи с соседними атомами полупроводника. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верх­ней части запрещенной зоны (рисунок 1.1,б) и заполненный при температуре абсолютного нуля.

Близость локальных уровней к зоне проводимости при­водит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы при­меси ионизируются и отдают дополнительный электрон. В результате число свободных электронов увеличивается. Образо­вание свободных электронов при ионизации донорной при­меси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов - ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси не­возможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы.

Таким об­разом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличе­нию концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентра­ции дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основны­ми носителями (их концентрация обозначается n_n), а дыр­ки - неосновными (концентрация р_n). Такой полупро­водник называется полупроводником п-типа. Однако, несмотря на преобладание в примесном полупроводнике подвижных носителей одного знака, полупроводник в целом электри­чески нейтрален, так как избыточный заряд подвижных носителей компенсируется зарядом неподвижных ионов примесей.

Для полупроводников n - типа справедливо равенство концентрации отрицательных и положительных зарядов:

n_n= p_n + N_Д N_Д
где N_Д - концентрация донорной примеси.

Так как концентрация дырок в полупроводнике п - типа мала, то концентрация электронов примерноравна концентрации атомов донорной примеси .

При введении в кремний или германий примесей элементов III группы, называемых акцеп­торными, в кристаллической решетке (рисунок 1.1, в), в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества (например, при нагреве до комнатной температу­ры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд - дырка. Локаль­ные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными но­сителями при этом становятся дырки, а неосновными носителями становятся элек­троны. Избыточный заряд дырок уравновешивается заря­дом отрицательных ионов, при этом сохраняется электри­ческая нейтральность полупроводника. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р - типа, для которого справедливо:

p_p = n_p + N_a N_a ,

где Na — концентрация акцепторных примесей.

Поскольку в диапазоне комнатных температур все ато­мы акцепторной примеси ионизированы (приняли дополни­тельный электрон), концентрация основных носителей в указанном рабочем диапазоне температур не зависит от температуры.