Материал: Физические основы электроники

ВВЕДЕНИЕ

Электроника представляет собой обширную область техники, базирующуюся на изучении физических явлений в полупроводниках, диэлектриках, вакууме, газе, плазме и т. д., для создания на их основе разнообразных изделий с электронными компонентами. Электроника прочно вошла в самые различные сферы нашей деятельности; область применения различных электронных устройств просто огромна – от наручных электронных часов до телевизора и радиоприемника; от электронного зажигания в автомобилях до сложнейших автоматических технологических линий; от бытовых нагревательных приборов (микроволновые печи) до сверхмощных компьютеров. С помощью специальных электронных устройств можно придать электродвигателям любые желаемые характеристики, обеспечить наиболее благоприятное протекание переходных процессов, преобразовать электрическую энергию из одного вида в другой и решать целый ряд таких задач, которые другими способами либо вообще не решаются, либо решаются со значительно бόльшими затратами.

История развития электроники восходит к концу XIX – началу XX в. Первоначально она развивалась для удовлетворения потребностей бурно развивающихся средств связи – для генерирования, усиления

ипреобразования электрических сигналов. Однако подлинный расцвет электроники начался после изобретения в 1948 г. полупроводникового прибора – транзистора, технические характеристики которого значительно превосходили характеристики электронных ламп, применявшихся в электронных устройствах первого поколения. Так, транзисторы имеют значительно более высокие массогабаритные показатели, практически неограниченный срок службы, высокую механическую прочность, экономичность и ряд других достоинств.

Следующий этап повышения технического уровня элементной базы, а также завершенных изделий электронной аппаратуры обусловлен переходом на интегральные микросхемы, что определило дальнейшее развитие и совершенствование технологических способов и процессов, общих для всех полупроводниковых приборов. Интегральная технология оказала глубокое влияние на все этапы разработки, изготовления

иэксплуатации электронной аппаратуры. Электроника стала основой электронно-вычислительных машин, проникла в автоматические системы и устройства.

6

В электронике больших мощностей революционным моментом стало появление мощных полупроводниковых приборов, тиристоров, динисторов, силовых диодов и транзисторов. На их основе стали разрабатываться разнообразные преобразовательные устройства для электромеханических систем и электроэнергетики. Развитие электроники бурными темпами продолжается и в настоящее время, что является мощным стимулом для прогресса во многих областях науки и техники.

Поскольку данное пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлению 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», это предопределило и круг рассматриваемых вопросов, и объемы времени, отводимого на их рассмотрение. Большое внимание уделено особенностям и режимам работы силовых приборов, применяемых в устройствах преобразовательной техники, силовой электроники, входящих в состав современных электротехнических и электроэнергетических систем.

7

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Современные электронные устройства, для того чтобы отвечать требованиям миниатюризации и микроминиатюризации, строятся в основном на полупроводниковых приборах.

Характерными особенностями полупроводников являются резко выраженная зависимость удельной электропроводности от температуры, от количества и природы вводимых примесей, а также ее изменение под влиянием электрического поля, света, ионизирующего излучения

идругих факторов.

1.1.Энергетические уровни и зоны

Всоответствии с квантовой теорией энергия электрона вращающегося по своей орбите вокруг ядра не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные дискретные, или квантованные, значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости. Поэтому электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам (рис. 1.1).

Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона, или энергетический уровень. Энергетические уровни отделены друг от друга запрещенными интервалами (рис. 1.2).

Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может находиться более двух электронов, причем спины этих электронов

8

должны быть противоположны. В невозбужденном состоянии электроны в атоме находятся на ближайших к ядру орбитах и в таком состоянии находятся до тех пор, пока какое-либо внешнее воздействие не сообщит атому добавочную энергию. При поглощении энергии атомом какой-либо электрон может перейти на один из более высоких свободных уровней либо вовсе может покинуть атом, став свободным носителем электрического заряда, а атом при этом превращается из нейтрального в положительно заряженный ион.

1.2.Проводники, полупроводники и диэлектрики

Втвердых телах атомы вещества могут образовывать так называемую кристаллическую решетку, когда соседние атомы удерживаются межатомными силами на определенном расстоянии друг от друга в точках равновесия этих сил, называемых узлами кристаллической решетки. Под действием тепла атомы, не имея возможности перемещаться, совершают колебательные движения относительно положения равновесия.

Вотличие от газа соседние атомы в твердых телах так близко находятся друг к другу, что их внешние электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются.

Врезультате этого в твердых телах происходит расщепление энергетических уровней электронов на большое количество почти сливающихся подуровней (рис. 1.3), образующих энергетические зоны. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические зоны заняты электронами, называется валентной.

Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней электронов в твердых телах

Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона.

9

Ширина запрещенной зоны является основным параметром, характеризующим свойства твердого тела (рис. 1.4). Вещества, у которых ширина запрещенной энергетической зоны 0,01 W 3 эВ, относятся

к полупроводникам, а при W 3эВ – к диэлектрикам. У металлов (проводников) запрещенная зона отсутствует.

Рис. 1.4. Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:

а– проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик

Вполупроводниковой электронике широкое применение получили

германий G e ( W 0,67эВ) и кремний Si ( W 1,12 эВ) – элементы

4-й группы периодической системы элементов Менделеева, а также арсенид галлия GaAs ( W 1,43 эВ). Всего лишь около 10 лет назад в ка-

честве доступного материала для полупроводниковых приборов стал рассматриваться карбид кремния SiC , что стало возможным благодаря развитию технологии выращивания кристаллов требуемого размера в необходимых количествах. Ширина запрещенной зоны у карбида кремния W 2,4 3,4 эВ для разных политипов.

Подобно тому как в отдельном атоме электроны могут переходить с одного энергетического уровня на другой свободный уровень, электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри разрешенной зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешенной зоны в другую. Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещения электрона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется очень малая энергия, порядка 10–8…10–4 эВ, что может быть следствием тепловых колебаний атомов, ускорений электронов даже под действием слабых внешних электрических полей, попадания в атом кванта световой энергии – фотона, а также ряда других видов внешних воздействий.

10