Материал: TTE_Lect1

Міністерство освіти і науки України Сумський державний університет

КУРС ЛЕКЦІЙ

з дисципліни «Твердотіла електроніка» для студентів спеціальностей 6.090803 «Електронні системи», 6.090802 «Електронні прилади і пристрої», 6.090804 «Фізична і біомедична електроніка» заочної і денної форм навчання

Суми Вид-во СумДУ

2008

1

ПЕРЕДМОВА

Дисципліна "Твердотіла електроніка" є вступним предметом у циклі промислової електроніки. Детальний розгляд фізичних процесів і напівпровідникових елементах електронних схем і принципів їх списання сприяє розвитку у студентів уміння правильно вибирати ці елементи й режими їх застосування, грамотно експлуатувати напівпровідникову апаратуру. Крім того, дана учбова дисципліна може розглядатись як база до вивчення основ мікроелектроніки і мікросхемотехніки з огляду на аналогію процесів у напівпровідникових інтегральних схемах та дискретних напівпровідникових приладах.

Улекціях даної навчальної дисципліни наведені основні положення фізики напівпровідників і напівпровідникових приладів та їх провідність. Детально розглянуто властивості р-n- переходу та способи його виготовлення.

Унаступних параграфах лекцій розглянуті будова, принцип дії та статичні характеристики біполярних транзисторів. Приділено увагу роботі біполярного транзистора у динамічному режимі. Приведені деякі різновиди біполярних транзисторів.

Поданий аналіз фізичних основ роботи польових транзисторів, їх основних характеристик й основ експлуатації в ключовому та підсилювальному режимах.

Розглянуті також різновиди тиристорів, параметри і характеристики напівпровідникових випромінювачів, фотоприймачів і оптопар. Приділено увагу методам розрахунку теплових режимів і роботі приладів разом з охолоджувачем, а також особливостям роботи при послідовно-паралельному з’єднанні приладів.

При викладанні матеріалу в лекціях паредусім розглядаються фізичні процеси в структурі приладу, які є загальними як для інтегральних, так і для дискретних приладів. Потім проводиться параметризація приладів в основних режимах експлуатації.

Використовується також метод порівняння розглянутих класів напівпровідникових приладів з точки зору їх експлуатації в тому чі іншому режимі.

Лекції з дисципліни “Твердотіла електроніка” призначені насамперед для студентів спеціальності 7.090803 “Електронні системи”, однак вони будуть, безперечно, корисними і для спеціальностей: “Автоматика і управління в технічних системах”; “Фізична електроніка”; “Електронні прилади і пристрої”.

2

ЛЕКЦІЯ 1

ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ТА ЕЛЕКТРОННОДІРКОВИХ ПЕРЕХОДІВ

1.1 Загальні відомості про напівпровідники

Напівпровідники (НП) – це речовини, що за своїми електричними властивостями займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників змінюється в межах 10 8 102 см/м, тоді як у металах вона дорівнює 103 104 см/м, а у діелектриках не перевищує 10 12 см/м.

Основна властивість, що відрізняє напівпровідники від інших матеріалів у електричному відношенні, – це істотна залежність питомої електропровідності від температури, концентрації домішок, світлового та іонізуючого випромінювань.

У провідників електрони на зовнішніх оболонках атомів кристалічної решітки (валентні електрони) слабо зв’язані з ядрами, і вони внаслідок щільного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів мають змогу вільно переходити від одного атома до іншого. Це зумовлює високу електропровідність провідників.

У напівпровідниках, на відміну від провідників, валентні електрони беруть участь у ковалентному зв’язку між сусідніми атомами решітки, який здійснюється парою електронів (рисунок 1.1). Кількість ковалентних зв’язків атома із сусідніми атомами дорівнює валентності.

Чистими (бездомішковими) напівпровідниками є чотиривалентні германій Ge та кремній Si, елементи 4 групи періодичної таблиці. Тому кількість ковалентних пар електронів у атомах цих речовин – 4, як це показано на рисунку 1.1 для германію.

Енергетична діаграма бездомішкового НП показана на рисунку 1.2 для випадку Т=0. Вона ілюструє той факт, що в ході утворення кристалічної решітки між атомами виникає сильна взаємодія, яка приводить до розщеплення енергетичних рівнів у атомі. Кожній орбіті відповідає своє дискретне значення енергії електрона. Сукупність енергетичних рівнів, що виникають під час зближення атомів,

3

називають енергетичною зоною. Кожна зона містить у собі N підрівнів (N – кількість взаємодіючих атомів у одиниці об’єму). На рисунку 1.2 такі зони (дозволені зони) мають назву: ВЗ – валентна зона – це зона, в якій при Т=0 всі енергетичні рівні заповнені; ЗП – зона провідності – зона, в якій при Т=0 електрони відсутні. Дозволені зони відокремлені

одна від одної забороненою зоною (ЗЗ) – зоною, що утворена енергетичними рівнями, які не можуть бути заповнені електронами атомів даної речовини.

Ширина ЗЗ – це важливий параметр, що визначає електричні властивості твердого тіла. У металів ширина ЗЗ W 0, у

напівпровідників – W 3eB , у діелектриків - W 3eB .

Отже, при абсолютній температурі Т=0 в бездомішковому НП всі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (ЗП не заповнена).

1.1.1 Власна електропровідність напівпровідників При збільшенні температури (Т>0) деякі валентні електрони

отримують енергію, якої вистачає, щоб розірвати ковалентний зв’язок (рисунок 1.3а).

Унаслідок цього у міжатомному зв’язку виникає одиничний заряд – дірка. На енергетичній діаграмі НП це явище супроводжується виникненням вільного енергетичного рівня (рис. 1.3б).

4

Рисунок 1.3 – Механізм власної провідності НП: а – кристалічна решітка при Т>0; б – енергетична діаграма

На місце утвореного розриву ковалентного зв’язку (вільний рівень у ВЗ) може перейти електрон із сусідньої ковалентної пари, і тоді відбудеться “заповнення” місця попереднього розриву й утворення дірки у новому місці.

Це рівносильне переміщенню дірки. Таким чином, у чистому бездомішковому НП утворюються вільні носії заряду – електрони і дірки, тобто відбувається генерація вільних носіїв.

Крім збільшення температури, причиною генерації носіїв може бути освітлення напівпровідника. Генерація супроводжується зворотним процесом – рекомбінацією. Рекомбінація – це відновлення ковалентного зв’язку, утворення при зіткненні пари електрон-дірка нейтрального атома.

На енергетичній діаграмі процес рекомбінації відповідає поверненню електрона з ЗП назад до ВЗ. При встановленні теплової рівноваги процеси генерації та рекомбінації компенсують один одного, і при температурі у НП утворюється певна концентрація вільних електронів ni і вільних дірок рі заповнених рівнів у зоні провідності. Ці концентрації можна визначити за формулою

де W – ширина забороненої зони (тобто енергія, яку треба віддати валентному електрону, щоб він став вільним носієм заряду), k=1,38* 10-23Дж/К – стала Больцмана, А – коефіцієнт пропорційності,

5