Раздел 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Тема 1.1. Физические основы электронных приборов

Студент должен: иметь представление:

- об отличии полупроводниковых материалов от других материалов

Знать

- физические принципы работы полупроводниковых приборов.

Данная тема является базовой и для того чтобы понять принцип действия полупроводниковых приборов, сначала изучите краткое изложение темы, данное ниже, а потом продолжите рассмотрение темы по предлагаемой литературе. Для закрепления изученного ма­териала необходимо ответить на поставленные вопросы самокон­троля.

Все известные в природе вещества по удельному электрическому сопротивлению принято делить на три класса - металлы, полупровод­ники и диэлектрики. У металлов этот параметр находится в пределах 10^-4 -10¹⁰ Ом-см, так как атомы металлов на внешнем электронном слое не имеют запрещенной зоны, и электроны свободно покидают, атом. Вещества с удельным.сопротивлением 10^-4-10¹⁰ Ом-см отнесены к полупроводникам, у которых имеется запрещенная -зона, энергия которой равна ≤ 3 эВ и электроны могут покинуть атом только при получении дополнительной энергии. Вещества с удельным сопротивлением более 10¹⁰ Ом-см - это диэлектрики.

При повышении температуры у полупроводников электропро­водность увеличивается, а у проводников (металлов) падает, так как три нагреве электроны атомов полупроводников получают дополнительную энергию, и они покидают атом, а при нагреве металлов увеличивается столкновение электронов с атомами и сопротивление возрастает.

В электронных приборах в основном используются кристаллические полупроводники: германий Gе и кремний Si.

Электроны, преодолевшие потенциальный барьер запрещенной зоны φ₃ чистого кристаллического полупроводника, обозначаются через ni а образовавшиеся при этом дырки - через р_i. Электроны n_i и дырки р_i. называются собственными носителями заряда полупроводника. Число образовавшихся собственных носителей заряда зави­сит от температуры.

От температуры также зависит ширина потенциального барьера запрещенной зоны φ₃. При Т = 0° К для германия φ₃ = 0,74 В, для кремния φ₃ = 1,166 В. При Т = 300° К для германия φ₃ = 0,67 В, для кремния φ₃ = 1,11 В.

Процесс образования пары электрон-дырка называется процессом генерации. Одновременно с процессом генерации происходит процесс рекомбинации, при котором электрон занимает свободный валентный уровень образовавшейся дырки, в результате чего образу­ется нейтральный атом. Оба процесса находятся в термодинамиче­ском равновесии, то есть скорости процессов генерации и рекомбинации равны между собой.

Одна из особенностей кристаллических полупроводников заклю­чается в том, что ничтожная добавка в них примесей других веществрезко повышает их электрическую проводимость. Например, 0,001% примесей в германии увеличивает число свободных электронов в нем в 10⁴ раз, соответственно в 10⁴ раз возрастает электрическая проводимость. Доля собственной электрической.проводимости ста­нет настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать электрическую проводимость полупроводникачисто при­месной

Чтобы увеличить электрическую проводимость, в чистый германий или кремний чаще всего добавляют пятивалентные (фосфор, сурьму, мышьяк) или трехвалентные (бор, алюминий, индий, индий) примеси. Примеси, отдающие электроны, называются донорными.

Примеси, захватывающие электрон, называются акцепторными. Уровни доноров находятся около дна зоны проводимости и соответст­вуют расстоянию потенциального барьера ∆φ≈ 0,01 В. Уровни акцепторов находятся у потолка валентной зоны, их потенциальный барьер ∆φ≈ О,01В Полупроводники с донорными примесями сокращенно называют полупроводниками n-типа проводимости, а полупроводники с акцеп­торными примесями - полупроводниками р-типа проводимости. Ос­новными носителями в полупроводнике n-типа являются электроны, и их количество обозначается n_n Неосновными носителями в полу­проводнике n-типа являются дырки, и их количество обозначается р_п.. Основными и неосновными носителями в полупроводнике р-типа будут дырки и электроны; соответственно их количество обознача­ется через р_р и n_р, а общая концентрация дырок и электронов - р и п. Концентрацию вводимых донорных и акцепторных атомов обозна­чают соответственно через Nд и Na.

Для полупроводника донорного типа примесных атомов будет намного больше, чем ионизированных атомов чистого полупроводника, то есть Nд >>n_i

При комнатной температуре все примесные атомы будут ионизи­рованы, так как потенциал ионизации сравнительно мал ∆φ = 0,01 В (в сравнении с ∆φ = 0,67 В при Т = З00 °C). Общее число электронов n = n+ n_i = Nд + n_i, но так как Nд >>n_i; то n≈ Nд

Поскольку в процессе генерации новых пар электрон-дырка уча­ствуют только атомы чистого полупроводника (примесные атомы при комнатной температуре ионизированы), то скорость генерации про­порциональна числу дырок и электронов чистого полупроводника.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: