Глава 5. Электронные приборы.

§1. Классификация электронных приборов.

Приборы, принцип работы которых основан на использовании потоков заряженных частиц, управляемых с помощью электрических или магнитных полей, называют электронными. В зависимости от вида среды, в которой протекают основные процессы, электронные приборы подразделяют на электровакуумные, газоразрядные и полупроводниковые.

В электровакуумных приборах, испускаемые нагретым катодом, движутся между электродами, находящимися в высоком вакууме (p~ Па).

В газоразрядных (или ионных) приборах движение электронов происходит в атмосфере инертных газов. Электрические процессы в них представляют собой разряд в газе.

В полупроводниковых приборах носители заряда (электроны или дырки) движутся в кристаллической решетке полупроводника.

Первый электровакуумный прибор – лампа накаливания – был изобретен в 1872 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным. В 1904 г. английский ученый Д. Флеминг сконструировал первый электропреобразовательный прибор – двухэлектродную лампу. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Фостер создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Б. Л. Розинг предложил применять электроннолучевую трубку для приема телевизионных изображений. В 1948 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли изобрели транзистор, совершивший революцию в радиоэлектронике.

§2. Полупроводниковые приборы.

§2.1. Собственная электропроводность.

Принцип работы полупроводниковых приборов определяется физическими свойствами полупроводниковых материалов, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление проводников ρ=10^-6 – 10^-5 Ом*см, полупроводников – ρ=10^-4 – 10^-5 Ом*см, диэлектриков – ρ= 10⁶ – 10¹⁶ Ом*см. Свойства полупроводников и проводников различны. С повышением температуры сопротивление проводников растет, а сопротивление полупроводников и диэлектриков снижается. Такое качественное различие свидетельствует о различном механизме проводимости этих материалов.

Б ольшинство современных полупроводниковых приборов выполняются из кремния (Si) и германия (Ge) – элементов 4 группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, а также из арсенида галлия (GaAs).

Кристаллическая структура Si и Ge такая же, как у алмаза: каждый атом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Двухмерная модель кристаллической решетки изображена на (рис. 1).

Как известно, у атомов различных элементов можно выделить оболочки полностью заполненные электронами (внутренние) и незаполненные (внешние). Электроны, расположенные на внешней оболочке, называются валентными. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантомеханический характер, они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Такая связь называется ковалентной (парной) (рис. 2). Большими кружками показаны ионы Ge.

Я

Рис. 2

дра атомов на внутренних оболочках обладают положительным зарядом +4, который уравновешивается отрицательными зарядами электронов на внешней оболочке, показанными маленькими кружками. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи, показанные линиями на кристаллической решетке. Таким образом на внешней оболочке находятся 4 своих электрона и 4 электрона, заимствованные по одному у четырех соседних атомов. В подобной идеальной кристаллической решетке направленное движение электронов невозможно, т. к. ему препятствуют силы взаимодействия электронов с атомами Ge. Это справедливо для температуры абсолютного нуля (T=0).

При температуре отличной от абсолютного нуля, атомы решетки колеблются и некоторые электроны получают энергию, для того, чтобы оторваться от своего атома. При этом в результате нарушения ковалентной связи образуется электрон проводимости и дырка, являющаяся разорванной связью. Таким образом, за счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно-дырочная пара (рис. 3). Электроны этих пар могут занимать любое положение внутри решетки, а блуждающая по кристаллу разорванная связь – дырка – не может. Она перемещается от одного атома к другому за счет того, что разорванная ковалентная связь замещается электроном одного из соседних атомов, при этом образуется новая разорванная связь и т. д. Следовательно, свободный электрон и дырка существуют и движутся независимо.

Полупроводник, не имеющий посторонних связей, называется собственным проводником. В таком полупроводнике концентрация электронов и дырок одинакова. Она называется собственной концентрацией и равна

,

г де А – коэффициент пропорциональности, Т – абсолютная температура, - ширина запрещенной зоны при Т=0К, равная минимальной энергии, которую нужно сообщить электрону, чтобы вывести его из валентной зоны в зону проводимости; k – постоянная Больцмана.

Способность электронов и дырок двигаться под действием электрического поля называется подвижностью поля . Подвижность равна скорости электрона или дырки при напряжении поля, равной единице.

Удельная проводимость полупроводника

,

где , - подвижность электронов и дырок, q – заряд электрона, n и p – объемные концентрации электронов и дырок соответственно.

Подвижность электронов в Si и Ge в 2-2.5 раза выше, чем подвижность дырок, поэтому собственная проводимость полупроводника носит в основном электронный характер.