Электроника и микроэлектроника

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

Кафедра «Радиотехника»

Электроника и микроэлектроника

Часть 1.

Основы электроники

Методическое пособие по самостоятельному изучению курсов «Электроника и микроэлектроника», «Электроника и электротехника» для студентов направления 552500 «Теоретическая радиотехника», специальностей «Радиотехника», «Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры» и «Информационные системы в технике и технологиях»

Шахты 2000г.

§ Электронно-электрическая цепь.

Электрическая цепь – соединение электрических, электромагнитных приборов полупроводниковых элементов и устройств, образующих замкнутую цепь, состояние которой можно описать с помощью электрических величин.

Элементы делятся на:

1.  Пассивные элементы.

2.  Активные элементы.

1.  Линейные элементы.

2.  Нелинейные элементы.

1.  С сосредоточенными параметрами.

2.  С раздельными параметрами.

Пассивные - не содержащие внутри источников электрической энергии. Активные - содержащие внутри источники электрической энергии.

1. 

Резистор.

Электрический элемент обладающий ненулевым электрическим сопротивлением. Напряжение на резисторе связано с током через него законом Ома:

U=I·R

Напряжение и ток в резисторе пропорциональны, т. е. имеют одинаковые графики только в разном масштабе, т. е. для sin – sin, для прямоугольного – прямоугольный.

На высоких частотах необходимо учитывать реактивные свойства резисторов – индуктивность выводов и проводящего покрытия и емкость между элементами конструкции.

2.Конденсатор.

Электрический элемент обладающий емкостью которая измеряется в фарадах и более мелких производных единицах: Ф, мкФ, пФ, нФ

Конденсатор не проводит постоянный электрический ток. В случае переменного тока, ток опережает напряжение по фазе. В области действительного переменного t сопротивление не существует. Можно вести речь о комплексных значениях:

График тока не однозначно определяет график напряжения т. к. +Uc(0)

Есть график тока, нарисовать график напряжения.

Напряжение на конденсаторе не может изменится мгновенно!

3. Индуктивность.

Электротехнический элемент, представляющий собой катушку из провода с малым сопротивлением.

Ток через индуктивность не может изменится мгновенно.

Активные элементы

1.  Источник ЭДС

Источник ЭДС формирует на своих выводах напряжение, не зависящее от параметров подключенных к ним цепей. Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю.

Постоянная ЭДС Переменная ЭДС

2.  Источник тока

Источник тока формирует во цепи, включенной между его выводами ток, величина которого не зависит от параметров внешней цепи. Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Эквивалентная схема реального источника тока

§ Электропроводность веществ и материалов.

Электропроводность – это некоторое качество веществ, которое характеризует способность проводить электрический ток.

Все вещества делятся на 4 группы:

1.  Сверхпроводники.

Очень малое сопротивление теоретически=0.

2.  Проводники

() Ом на См.

Вольфрам, нихром – плохие проводники.

3.  Полупроводники

() Ом на См.

Германий, Кремний, Селен, Интерметаллические соединения, Арсенид галлия GaAs, Антимонит индия InSb, Cu2O, ZnO – оксиды, SiC – карбиды, Органические соединения

4.  Диэлектрики.

(108 и больше)

Стекло, слюда, эбонит, фарфор

Исследование полупроводников

1833 – Фарадей

1839 – Беккерель

1926 – Лиминфельд

1947 – Шотки, Бардин, Браттейн

1958 – Л. Есани

§Полупроводники и полупроводниковые приборы.

Основное отличие полупроводников от проводников не количественное, а качественное. Увеличение температуры приводит к уменьшению сопротивления, а для проводников к увеличению.

Сопротивление полупроводников зависит от:

-  температуры,

-  наличия примесей

-  освещённости

-  механического давления

-  рентгеновского излучения и т. д.

1.  При изменении температуры на 1 градус удельное сопротивление меняется на 5-6 %.

2.  Введение примесей изменяет проводимость полупроводников. Если добавить 10-5% примеси, то сопротивление уменьшается в 200 раз. У металлов сопротивление возрастает при введении примесей.

3.  При освещённости полупроводников его сопротивление уменьшается.

4.  Воздействие радиационного излучения приводит к уменьшению сопротивления.

§ Структура полупроводников

Структура идеального полупроводника. Германий и Кремний.

В одном см3·1023

Структура Ge и Si монокристаллическая, в которой атомы размещаются в узлах кристаллической решётки, которая называется тетраэдром. На внешней электронной оболочке 4 электрона.

Развернём на плоскости

Ковалентная связь.

Особенностью структуры полупроводников является её пространственная устойчивость, алмазоподобная структура. При повышении температуры некоторые связи разрываются в результате энергетического воздействия, при этом некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными носителями заряда. На месте ушедшего электрона образуется нескомпенсированный положительный заряд и незаполненная валентная связь. Энергия в этой связи меньше, чем в заполненной поэтому на место ушедшего электрона может перейти электрон из соседней связи. В результате происходит движение положительного нескомпенсированного заряда, который эквивалентен некоторой частице с зарядом +1е. Этот подвижный нескомпенсированный заряд называется дыркой. При воздействии температуры возникает одинаковое количество n и p. Процесс генерации n и p при воздействии температуры называется термогенерацией. Паралельно с этом процессом идёт противополжный процесс – Рекомбинация.

§ Примесные полупроводники.

Примесным полупроводником называют полупроводник в который введена какая либо примесь. В качестве примесей используют вещества с валентностью 3/5.

5 – Сурьма (Sb), P, As – доннорные примеси.

3 – Al, Ga, B, In – акцепторные примеси.

При добавлении 5 – валентной примеси:

А) Добавим Sb.

При воздействии температуры 5 валентный элемент примеси становиться свободным носителем заряда, увеличивает число ē. На месте ушедшего е остаётся неподвижный положительно заряженный ион атома донорной примеси.

Примесь, отдающая ē называется донорной.

В таком полупроводнике число е значительно больше числа дырок. ē – называется основным носителем заряда, а дырки – не основным.

Такой примесный полупроводник называется полупроводник n - типа или электронный полупроводник.

Б) Добавим In.

При этом 3 внешних ē идут на образование связи с 3 атомами основного вещества, а 4-ая связь остаётся незаполненной. Энергия ē в этой связи меньше, чем энергия ē в соседней заполненной связи, поэтому на вакантное место переходит ē из соседней связи. Образуется отрицательно заряженный ион неподвижный атома примеси и дырка (подвижный носитель заряда).

В этом полупроводник основным носителем заряда является дырки, а неосновным – ē. Такой полупроводник называется полупроводник p - типа, примесь называется акцепторной.

§ Энергетические диаграммы.

Энергетическая диаграмма полупроводников.

Для Ge ΔE=0,75(0,67) Электрон-Вольт

Для Si ΔE=1,12(1,11) Электрон-Вольт

Для GaAs ΔE=1,43(1,40) Электрон-Вольт

Уровень Ферми EF -функция распределения вероятности нахождения электрона с данной энергией.

EF –энергия, соответствующая уравнению Ферми.

K– постоянная Больцмана.

E– энергия электрона.

EF– энергия Ферми.

Энергетическая диаграмма для металла:

Энергетическая диаграмма для диэлектрика.

Энергетическая диаграмма для полупроводников n - типа.

0.12 Электрон-Вольт

Энергетическая диаграмма для полупроводников p - типа.

0,10-0,12 Электрон-Вольт.

§ Электропроводность полупроводников.

Электропроводность полупроводников возникает когда полупроводник начинает проводить ток, при приложении внешнего напряжения, при наличии градиента концентрации, при воздействии освещённости, при воздействии радиоактивных излучений.

Электропроводность под действием внешнего поля.

Электропроводность под действием градиента концентрации.

При наличии градиента концентрации возникает движение n и p. При этом имеют место две составляющие, одна из которых диффузионная, обусловленная градиентом концентрации. В результате этого движения без внешнего напряжения ток в цепи отсутствует.

- Удельная электронная проводимость.

Где:

q - заряд электрона,

n - количество электронов (концентрация),

p - количество дырок,

Mn - неподвижность электронов,

Mp - неподвижность дырок.

- удельная проводимость полупроводника n - типа

- удельная проводимость полупроводника p – типа

§ p-n переход.

При металлургическом контакте полупроводников p и n типа на их границе возникает область, которую называют p - n переходом.

Ионы атомов акцепторной примеси

¯

­

Ионы атомов донорной примеси

При металлическом контакте через границу раздела начинается диффузия основных носителей заряда. Дырок из p → n и ē из области n → p.

Ионы образуют области объёмного заряда – в P и + в N.

Объёмные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению основных носителей заряда. Его могут преодолеть только энергичные дырки и электроны. Число этих «Энергетичных дырок» и электронов зависит от температуры. При подходе к p-n переходу ускоряются в полу объёмного заряда и выбрасываются в другую область. Основные носители заряда образуют диффузионную составляющую тока через p – n переход, а носители – дрейфовую. Эти составляющие равны пор модулю и противоположны по направлению. Поэтому суммарный ток = 0 без воздействия внешнего поля.

§ p – n переход под действием внешнего напряжения.

Прямое смещение p – n перехода:

При прямом смещении p – n перехода внешним напряжением через малое сопротивление областей p – n перехода (к области объёмного заряда). Т. к. эта область обладает большим сопротивлением т. к. в ней нет свободных носителей заряда.

Это внешнее напряжение понижает высоту потенциального барьера, уменьшает размеры p – n перехода, что приводит к увеличению диффузионной составляющей тока, то есть к увеличению тока основного носителя заряда.

Дрейфовая составляющая практически не изменяется, т. к. она зависит от неосновных носителей заряда, число которых постоянно при данной температуре и не зависит от внешнего напряжения.

Диффузионная составляющая резко изменяется при изменении внешнего напряжения т. к. число дырок и электронов, способных преодолеть уменьшающийся потенциальный барьер возрастает экспоненциально.

При этом во внешней цепи протекает ток, совпадающий с диффузионной составляющей тока и практически равной ему.

I пр = iдифф. – i др @ i дифф.

§ p – n переход при обратном смещении.

I обр. = - i др

При обратном смещении p – n перехода (+кн, - кр) область объёмного заряда увеличивается, ширина p – n перехода возрастает, уменьшая число основных носителей заряда, способных преодолеть возросший барьер, уменьшается диффузионная составляющая тока через p – n переход.

И уже при малых обратных напряжениях она (i диф.) практически равна нулю.

Через p – n переход протекает только дрейфовая составляющая тока, обусловленная неосновными носителями заряда. При постоянной температуре эта составляющая постоянна. Таким образом, при прямом смещении p – n перехода его электропроводность возрастает, а сопротивление при этом малое.

При обратном смещении электропроводность малая и сопротивление возрастает.

Вывод:

Ток через p – n переход зависит от полярности внешнего напряжения и значением этого напряжения. При прямом смещении этот ток резко возрастает, а при обратном смещении он пренебрежимо мал.

Это свойство p – n перехода называют выпрямительным (вентильным) свойством p – n перехода.

§ Вольт – Амперная характеристика p – n перехода.

Ток через p – n переход подчиняется следующей закономерности:

, где:

Io - тепловой (обратный) ток p – n перехода,

jT - температурный потенциал,

I - внешний ток,

U - внешнее напряжение,

m - от 1 до 3 в зависимости от материала. (Ge –1, Si -2,GaAs -3).