Лекція 14. Вступ до електроніки. Напівпровідники

План

· Вступ до розділу «Електроніка».

· Електричні властивості напівпровідників.

□ Уявлення про основи зонної теорії твердого тіла.

□ Власна провідність.

□ Домішкова провідність.

□ P-n перехід та його властивості.

Вступ до розділу «Електроніка».

Електроніка як наука займається вивченням електронних явищ і процесів, пов’язаних зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток в різних середовищах (у вакуумі, газах, рідинах, твердих тілах) і умовах (при різній температурі, під впливом електричних і магнітних полів).

Задачею електроніки як галузі техніки (технічної електроніки) єрозробка, виробництво і експлуатація електронних приладів і пристроїв самого різного призначення.

Можна назвати декілька основних напрямів, що характеризують сфери прикладення технічної електроніки. Кожний з цих напрямів, в свою чергу, має численні розгалуження. Це зв’язок, радіоелектронна апаратура широкого споживання, промислова електроніка (управління виробничими процесами, вимірювальна апаратура, пристрої електроживлення, промислове телебачення, автоматика, телеуправління, медична апаратура (діагностична, лікувальна, протезування і ін.), електротехнічне і енергетичне обладнання), спеціальна техніка (апаратура, що застосовується на транспорті, радіолокація і радіонавігація, інфрачервона техніка, обладнання космічних апаратів, оптичні квантові генератори, ультразвукова локація, ядерна електроніка, біологічна електроніка і т.д.), обчислювальна техніка і технічна кібернетики (електронні цифрові та аналогові обчислювальні машини, персональні мікрокомп'ютери, автоматизовані системи управління, автоматичні інформаційні системи, електронні навчальні і контролюючі машини і т.д.).

Ефективність електронної апаратури зумовлена високою швидкодією, точністю і чутливістю її елементів, найважливішими з яких є електронні прилади. За допомогою цих приладів можна порівняно просто і в багатьох випадках з високим к.к.д. перетворювати електричну енергію за формою, величиною і частотою струму або напруги. Такий процес перетворення енергії здійснюється в багатьох схемах електронної апаратури (спрямовувачах, підсилювачах, генераторах).

За допомогою електронних приладів вдається перетворювати неелектричну енергію в електричну і навпаки (наприклад, в фотоелементах, терморезисторах). Різноманітні електронні датчики і вимірювальні прилади дозволяють з високою точністю вимірювати, реєструвати і регулювати зміни всіляких неелектричних величин – температури, тиску, пружних деформацій, прозорості і т.д.

Процеси перетворення енергії в приладах електроніки відбуваються з великою швидкістю. Це зумовлене малою інерційністю, характерною для більшості електронних приладів, що дозволяє застосовувати їх в широкому діапазоні частот – від нуля до десятків і сотень гігагерц. При цьому досягається така висока чутливість, яка не може бути отримана в приладах іншого типу.

Сучасний етап розвитку електронної техніки характеризується значним ускладненням електронної апаратури. Звичайні (дискретні) компоненти електронних схем вже не можуть в повній мірі задовольнити вимоги щодо різкого зменшення габаритних розмірів і підвищення надійності електронних пристроїв.

Все більш широкий розвиток отримує мікроелектроніка – галузь електроніки, що займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об'єму, маси, вартості, підвищення надійності і економічності на основі комплексу конструктивних, технологічних і схемних методів.

Основною елементною базою сучасних електронних пристроїв є напівпровідникові прилади. Клас напівпровідникових приладів складають діоди, біполярні і польові транзистори, тиристори і інші прилади, принцип дії яких заснований на електрофізичних процесах в напівпровідниках.

До напівпровідників відносяться чисельні матеріали, які за багатьма ознаками займають проміжне становище між провідниковими і діелектричними. Найбільше застосування в напівпровідниковій техніці отримали кремній, германій, галій, селен і такі хімічні сполуки, як арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію і т. д. Напівпровідники відрізняються від інших твердих кристалічних матеріалів електропровідністю, енергетичним станом кристалів, характерною залежністю електричних властивостей від температури, випромінювань і інших зовнішніх впливів. Контролюючи електронні процеси – концентрацію, швидкість і напрям руху заряджених часток – за допомогою електричних і магнітних полів, можна, керувати електричним струмом в напівпровідникових приладах.

Вивчення властивостей цих часток і їх поведінки в різних умовах є необхідною передумовою для розуміння роботи різноманітних електронних елементів.

Теорія фізичних явищ в напівпровідниках відзначається складністю і може бути опанована на основі глибокого вивчення фундаментальних розділів твердого тіла з застосуванням відповідного апарату. Тому обмежимось спрощеним викладенням основних теоретичних положень фізики напівпровідників, виокремлюючи лише ті з них, які необхідні для наступного вивчення і розуміння роботи напівпровідникових приладів.

Електричні властивості напівпровідників.

Уявлення про основи зонної теорії твердого тіла.

Відомо:

§ Кількість електронів в атомі дорівнює кількості протонів в ядрі.

§ Кожний з електронів має певну енергію (знаходиться на певному енергетичному рівні) – чим далі від ядра, тим енергетичний рівень вищий.

§ Енергія електрона змінюється тільки дискретно, певними порціями – і тому електрони в атомі мають цілком певні орбіти.

Енергетичні рівні, на яких знаходяться електрони, називаються дозволеними; ті рівні, де електрони знаходитись не можуть – забороненими.

§ Електрони, найменш пов’язані з ядром, можуть вступати у взаємодію з ядрами інших атомів – це валентні електрони.

§ Існують зони, що містять дозволені рівні (дозволені зони), між якими знаходяться заборонені зони. Зони, в яких знаходяться рівні валентних електронів – це валентні зо ни.

§ Вище валентної зони в твердих тілах існує зона з ще більш високоенергетичними рівнями – зона провідності. В цій зоні енергія електронів настільки велика, що вони вже не пов’язані з ядром і можуть вільно переміщуватись між атомами.

Електропровідність твердих тіл обумовлена саме такими електронами, що перейшли з валентної зони до зони провідності.

Розташування енергетичних зон:

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто певне, суворо визначене розташування атомів на однакових відстанях один від одного, в результаті чого утворюється кристалічна решітка.

Між атомами кристалічної решітки існують зв’язки. Вони утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атому, але й з ядром сусіднього. Так, в кристалах кремнію, германію зв’язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами – по одному від кожного атома. Такий зв’язок між атомами називається двохелектронним, або ковалентним.

Характерна особливість двохелектронних зв’язків полягає в тому, що при їх утворені електрони зв’язку належать вже не одному, а одразу обом, зв’язаних між собою атомам, тобто є для них спільними. В результаті зовнішня орбіта кожного з атомів, наприклад, чотирьохвалентних кремнію або германія має немов би по вісім електронів і стає повністю заповненою.

Кристалічна решітка, в якій кожний валентний електрон атомів решітки бере участь у ковалентних зв’язках з іншими атомами речовини, є ідеальною. В такому кристалі всі валентні електрони міцно зв’язані між собою і вільні електрони, які могли б брати участь у переносі зарядів відсутні. Таку кристалічну решітку мають всі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (–273°С). В цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.

Найбільше застосування для виготовлення приладів мають такі напівпровідникові елементи, як германій та кремній.

Атоми цих елементів утворюють кристал у формі тетраедра. Завдяки цьому ядра всіх елементів знаходяться на однаковій малій відстані один від одного, утворюючинерухомі вузли кристалічної решітки. Кожний з чотирьох валентних електронів знаходиться під впливом одного з чотирьох сусідніх ядер і обертається по орбіті, що охоплює своє і сусіднє ядро.

При переході електрона в зону провідності на валентному рівні залишається незаповнене електроном місце, на яке може перейти інший електрон з іншої ядерної пари. Таке незаповнене електроном місце у ковалентному зв’язку (вакансія) називається діркою. Процес утворення пари електрон–дірка отримав назву генерація зарядів. Дірка має додатний заряд, тому вона може перетягнути до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв’язку. В результаті відновлюється один зв’язок (цей процес називається рекомбінацією) і порушується сусідній. Отже, заповнення однієї дірки супроводжується виникненням нової в іншому місці. Такий генераційно-рекомбінаційний процес безперервно повторюється, і дірка, переміщуючись із одного зв’язку в інший, буде переміщуватись по кристалу, що рівносильне переміщенню додатного заряду, рівного за величиною заряду електрона.

Власна провідність.

В основі роботи напівпровідникових приладів лежить той факт, що вивільнення електрона супроводжується утворенням дірки, причому дірка не є постійною приналежністю одного атому – при переході на її місце електрона з сусіднього атому вільне місце з’являється тепер в іншому зв’язку, тобто разом з хаотичним рухом вільних електронів здійснюється і хаотичний рух дірок, який супроводжується переміщенням валентних електронів з одного міжатомного зв’язку (ковалентного зв’язку) в інший.

Якщо помістити напівпровідник в електричне поле, в ньому хаотичний рух перетворюється у впорядкований – рух вільних електронів в зоні провідності і рух електронів в валентній зоні, тобто дірок. Тільки направлений рух дірок зворотно руху вільних електронів.

Отже носіями електричного струму в напівпровідниках є як від’ємні заряди – електрони, так і позитивні заряди – дірки (оскільки відсутність від’ємного заряду еквівалентно присутності додатного).

Провідність, що зумовлена рухом електронів, називається електронною і позначається буквою n (n – провідність).

Провідність, що зумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p (p – провідність).

Домішкова провідність.

Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності (в розумінні рівної кількості носіїв одного та іншого типів).

Шляхом внесення в чистий напівпровідник певного домішку можна створити напівпровідник, в якому переважала або n –, або p –провідність.

Домішки, що збільшують електронну провідність, називаються донорними (ті, що віддають).

Для 4–валентних напівпровідників (кремній, германій) донорними домішками є 5–валентні елементи (сурма, миш’як).

Атом донорного домішку займає місце в кристалічній решітці, при цьому чотири його валентні електрони вступають в ковалентні зв’язки з сусідніми атомами кремнію, а п’ятий, облишений ковалентних зв’язків, слабо пов’язаний з ядром і легко звільняється. Отже донорні атоми різко збільшуючи кількість вільних електронів, не збільшуючи кількості дірок, оскільки ковалентні зв’язки атомів домішку заповнені і не перехоплюють електронів з валентної зони сусідніх атомів.

Домішки, що збільшують діркову провідність, називаються акцепторними (ті, що приєднують). Для 4–валентних напівпровідників акцепторними домішком є 3–валентний елемент (індій).

Атом акцепторного домішку, вступаючи трьома своїми валентними електронами в ковалентні зв’язки, залишає місце в одному ковалентному зв’язку незаповненим, тобто утворюється дірка. Внесення акцепторних домішок призводить до утворення дірок і не супроводжується збільшенням числа вільних електронів.

Оскільки будь-який напівпровідник має власну провідність, в ньому крім основних носіїв, є невелика частка неосновних. Інакше кажучи в напівпровіднику n –типу є велика кількість вільних електронів (тут вони – основні носії) і невелика кількість дірок (неосновні носії), а в напівпровіднику p –типу – навпаки.

Властивості p-n переходу.