Лаб_ФОЭ

Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»

В. В. Брунбендер

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом Морского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов специальностей

230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»,

220203.65 «Автономные информационные и управляющие системы»,

240600 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»,

090106.65 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»,

010801.65 «Радиофизика и электроника»

Владивосток

2010

УДК 530

Брунбендер, В. В. Физические основы электроники [Текст] : учеб. пособие / В. В. Брунбендер. – Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2010. – 80 с.

Пособие содержит теоретический материал по структуре и проводимости кристаллов, контактных явлениях, вакуумной и твердотельной электронике. В пособии дано описание 12 лабораторных работ по курсу физических основ электроники. Приводятся данные о структуре электронных приборов и физических процессах, протекающих при их работе. Даны электрические схемы лабораторных установок и методики проведения физических экспериментов. К каждой работе прилагается перечень контрольных вопросов и список рекомендованной литературы.

Пособие написано с учетом требований государственного образовательного стандарта по курсу физических основ электроники для приведенных специальностей.

Предназначено для студентов информационно-технических, электротехнических и радиофизических специальностей вузов.

Ил. 72, табл. 22, библиогр. 36 назв.

Рецензенты:

В. Э. Осуховский, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой физики ТОВМИ им. С. О. Макарова;

А. В. Безвербный, д-р физ.-мат. наук, доцент, ведущий науч. сотр. ИАПУ ДВО РАН

Брунбендер В. В.

Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского, 2010 г.

ВВЕДЕНИЕ

Физические основы электроники изучают процессы взаимодействия заряженных частиц (электронов и ионов) с электромагнитными полями и веществом в электронных приборах. В работе электронных приборов применяются различные среды – вакуум, ионизированный газ (плазма), твердые тела различной структуры и жидкости. В соответствии с названием сред, электронику подразделяют на составляющие части – вакуумную, плазменную, твердотельную и жидкостную. В настоящем пособии изучаются физические процессы в приборах вакуумной и твердотельной электроники. Пособие состоит из пяти разделов и приложения.

Первый раздел посвящается изучению свойств кристаллических твердых тел и контактов между ними. Рассматриваются вопросы: структура кристаллов, элементы зонной теории, токи в металлах и полупроводниках, контактные явления. Даны описания трех лабораторных работ: «1. Градуировка термопары»; «2. Исследование эффекта Холла в полупроводниковой пластинке»; «3. Исследование вольт-амперной характеристики p-n перехода».

Во втором разделе рассматриваются вопросы вакуумной электроники: термоэлектронная эмиссия; конструкция вакуумного диода; режимы работы вакуумного диода; протекание тока в вакуумном диоде в скрещенных электрическом и магнитном полях. Приводятся описания трех лабораторных работ: «4. Исследование вольт-амперной характеристики вакуумного диода»; «5. Определение температуры катода вакуумного диода»; «6. Изучение влияния магнитного поля на ток вакуумного диода».

Втретьем разделе приводится описание структуры биполярных (БП) транзисторов, даны типы БП транзисторов и их схемы включения. Подробно рассмотрены режимы работы БП транзистора при схеме включения с общим эмиттером, даны характеристики БП транзистора. Приведены описания двух лабораторных работ: «7. Исследование входной характеристики биполярного транзистора»; «8. Исследование выходной характеристики биполярного транзистора».

Вчетвертом разделе дано описание структуры полупроводникового тиристора, приводятся типы тиристоров (управляемые и неуправляемые тиристоры), рассматриваются процессы включения тиристора в неуправляемом и управляемом режимах работы. Даны описания двух лабораторных работ: «9. Исследование работы управляемого тиристора»; «10. Исследование работы неуправляемого тиристора».

Пятый раздел посвящается изучению работы полевых транзисторов (ПТ). Рассматриваются процессы влияния электрического поля на проводимость слоя полупроводника, прилегающего к управляющему электроду. Приводятся основные типы ПТ с изолированным затвором (со встроенным и индуцированным каналом), также рассмотрена работа ПТ с управляющим p- n переходом. Даны описания двух лабораторных работ: «11. Изучение работы полевого МДП транзистора»; «12. Изучение работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом».

3

РАЗДЕЛ 1

КРИСТАЛЛЫ. ТОКИ В КРИСТАЛЛАХ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Кристаллы, типы кристаллов

1.Твердые тела принято разделять на три группы – аморфные тела, композиты и кристаллы. Аморфные тела не имеют упорядоченной внутренней структуры, их структура аналогична жидкостям; примеры аморфных тел: стекло, эбонит, однородные пластмассы. Композиты имеют упорядоченную макроскопическую структуру; примеры композитов: древесина, гетенакс, стеклотекстолит. Кристаллы обладают упорядоченной микроскопической структурой, структурные элементы кристаллов (ионы, атомы или молекулы) образуют правильную кристаллическую решетку. Кристаллические тела в настоящее время являются основным материалом для современных электронных приборов.

2.Кристаллы разделяют по типу химической связи на следующие виды: а) ионные кристаллы; б) ковалентные кристаллы; в) кристаллы со смешанной (ковалентная + ионная) связью; г) металлические кристаллы; д) атомные (молекулярные) кристаллы.

Ионные кристаллы состоят из положительных и отрицательных ионов, связанных ионной (гетерополярной) связью. Примером ионных кристаллов

являются соединения элементов I и VII групп периодической таблицы

(AIBVII): NaCl, KF, LiJ и так далее.

Ковалентные кристаллы состоят из атомов одного сорта, связанных между собой ковалентной (гомеополярной) связью. Примером ковалентных кристаллов являются тела, состоящие из атомов IV группы (С – алмаз, Si – кремний, Ge – германий), V групп (Р – фосфор, As – мышьяк, Sb – сурьма) и VI группы (S – сера, Se – селен, Te – теллур).

Кристаллами со смешанной связью являются, например, бинарные со-

единения типа (AII BVI – ZnS, ZnSe, CdS) и (AIII BV – AlN, GaP, GaAs, InSb). В

кристаллах AII BVI преобладает гетерополярная связь, в кристаллах AIII BV – гомеополярная связь.

Металлические кристаллы состоят из решетки, образованной положительными ионами металла, и электронного газа из валентных электронов. Наличие электронного газа обуславливает высокую электропроводность и теплопроводность металлов.

В атомных и молекулярных кристаллах кристаллическая решетка состоит из атомов или молекул, связанных между собой разными видами ван-дер- ваальсовского взаимодействия. Примерами атомных кристаллов являются кристаллы благородных газов (Ne, Ar, Kr); молекулярными являются кристаллы льда (H2O), твердой углекислоты (CO2) и другие.

3. Классификация кристаллов по типу кристаллической решетки. Кристаллическую решетку можно получить трансляцией элементарной ячейки кристалла, которая представляет собой параллелепипед с определенным для данного кристалла расположением структурных элементов (обозначены темными

4

кружками на рис. 1.1). Тип кристаллической решетки находится по кристаллографическим углам , , , определяющими кристаллографические оси, и кристаллографическим расстояниям a, b, c. Всего существует 7 систем

(сингоний) кристаллов: триклинная (a b c;

); моноклинная (a b c; = , >

Рис. 1.1 90°); ромбическая (a b c; = = = 90°); гексагональная (a = b c; = = 90°, =

120°); ромбоэдрическая (a = b c; = = 90°); тетрагональная (a = b c; = = = 90°); кубическая (a = b = c; = = = 90°).

На рис. 1.1 изображена наиболее простая ячейка. Существуют также и бо-

лее сложные ячейки: объемноцентрированная (рис. 1.2а), базоцентрирован-

ная (рис. 1.2б) и гранецентрированная (рис. 1.2в). Всего наблюдается 14 типов кристаллических решеток, описных впервые французским ученым Браве.

Удобно представлять структурные элементы решетки в виде модели твердых шаров, соприкасающихся друг с другом. В рамках этой модели наиболее “рыхлой” является простая кубическая решетка, а наиболее плотно упакованными являются кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки.

а

б

в

Рис. 1.2. Типы элементарных кубических ячеек:

а – объемноцентрированая; б – базоцентрированная; в – гранецентрированная

Периодичность кристаллической структуры в больших монокристаллах может наблюдаться на протяжении миллиардов (109) межатомных расстояний.

Физические свойства кристаллов (электропроводность, диэлектрическая проницаемость и другие) зависят от направления в кристалле. Направления в кристаллах обозначаются с помощью индексов Миллера: ось х имеет индексы [100], у – [010], z – [001]. Направление диагонали элементарной ячейки в плоскости ху обозначается символами [110]; пространственная диагональ элементарной ячейки имеет индексы [111] и т. д. Кристаллографические плоскости также обозначаются с помощью индексов Миллера. В кристаллах кубической сингонии плоскости, перпендикулярные направлениям, обозначаются теми же индексами. Например, плоскость ху имеет индексы (001), так как она перпендикулярна направлению [001] (ось z); плоскость (111) перпендикулярна направлению [111] и так далее.

5

и энергетиче-

Электропроводность кристаллов

1. Энергетический спектр электронов в кристаллах

Электроны в твердом теле (кристалле) движутся по квантовым законам в потенциальном электрическом поле кристаллической решетки. В силу периодичности кристалла потенциальная энергия взаимодействия электрона с

ионами решетки П является периодической функцией от направления	r в
кристалле:
П (r) = П (r + a),	(1.1)

где а постоянная кристаллической решетки в направлении r . Квантово-механическое описание валентных электронов дает зонную

картину их энергетического спектра. Зонная теория объясняет различие электрических и оптических свойств металлов, диэлектриков и полупроводников.

Валентные электроны могут находиться на энергетических уровнях в валентной зоне (зона связанных состояний) или в зоне проводимости (зона свободных состояний). Валентная зона и зона проводимости разделены

энергетическим промежутком – запрещенной зоной G, в которой нет разрешенных энергетических состояний.

Рис. 1.3. Энергетический спектр валентных электронов в кристалле:

V верхний уровень валентной зоны; С нижний уровень зоны проводимости;

G энергетическая ширина запрещенной зоны

При заполнении энергетических уровней в кристалле выполняется кван- тово-механический принцип Паули в одном квантовом состоянии может находиться только один электрон. Квантовое состояние электрона в кри-

сталле определяется спиновым квантовым числом s 12

ским состоянием n. Следовательно, в одном энергетическом состоянии в

кристалле могут находиться два электрона с противоположно направленными спинами.

У металлов в валентной зоне (рис. 1.4а) имеются свободные (незаполненные) энергетические состояния (или валентная и свободная зоны частично перекрываются между собой, объединяясь в одну зону, которую также называют валентной). Если в металле создать электрическое поле, то электроны, находящиеся на верхних заполненных энергетических уровнях, будут ускоряться, увеличивая свою энергию под действием электрического

6

поля, и переходить при этом на более высокие энергетические уровни. Следовательно, наличие в валентной зоне металлов свободных энергетических уровней объясняет их высокую электропроводность.

В отличие от металлов, в полупроводниках (рис. 1.46) и диэлектриках (рис. 1.4в) энергетические уровни в валентной зоне (при температуре абсолютного нуля) полностью заполнены. Для получения электропроводности этих веществ необходимо перебросить некоторое количество электронов в зону проводимости.

Диэлектрики обладают широкой запрещенной зоной G > 3,5 эВ. При

нормальных условиях диэлектрики практически не обладают заметной электропроводностью, так как энергии теплового движения и квантов видимого света недостаточно для перехода электронов в свободную зону. Электропроводность диэлектриков можно вызвать облучением их достаточно интенсивным ультрафиолетовым светом, рентгеновским или гаммаизлучением.

Рис. 1.4. Заполнение энергетических зон: а – в металлах; б – в полупроводниках; в – в диэлектриках; штриховкой обозначены заполненные энергетические уровни

Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону G < 3,5 эВ. Например, у германия G(Ge) ≈ 0,75 эВ, у кремния G (Si) ≈ 1,12 эВ. При нор-

мальных условиях электропроводность большинства полупроводников значительно выше, чем у диэлектриков, так как энергии теплового движения достаточно для перехода небольшого количества электронов в зону проводимости. Электропроводность полупроводников значительно увеличивается при их нагревании или освещении.

2. Электронный газ в металле

Свободные электроны в металле образуют вырожденный газ, подчиняющийся квантовой статистике Ферми – Дирака:

f ( )		1				,	(1.2)
	exp
			F		1
		kT

где f( ) = n( ) – функция распределения электронов по значению энергии; n(0)

n( ) – концентрация	электронов на уровне с энергией ; n(0) – концентра-

7

ция электронов на уровне с наименьшим значением энергии; F – уровень Ферми; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Рис. 1.5. Схема энергетических уровней в металле: штриховкой выделены заполненные энергетические уровни

Уровнем Ферми называют наиболее высокий энергетический уровень, заполненный электронами в металле при температуре абсолютного нуля. Из (1.2) следует, что вероятность заполнения электронами уровня Ферми равна ½ при температуре, не равной абсолютному нулю. Последнее определение уровня Ферми справедливо для всех твердых кристаллических тел.

Электроны в металле (по сравнению с электронами вне металла) находятся в потенциальной яме. Глубина ямы определяется разностью энергети-

ческих уровней в (энергия свободного покоящегося электрона вне металла) и наиболее глубоким энергетическим уровнем 0 (в некоторых случаях его принимают за ноль):

= в 0

Наименьшую работу, которую необходимо совершить для освобождения электрона из металла, называют работой выхода Авых. Работу выхода отсчитывают от уровня Ферми до уровня вакуума

Авых = в F.

(1.3)

Разность F 0 называют электрохимическим потенциалом :

= F 0.

(1.4)

Значение электрохимического потенциала зависит от отношения концентрации свободных электронов n к их эффективной массе m* (эффективная масса зависит от взаимодействия свободных электронов с ионами решетки):

	n	2	*3 .
				(1.5)
	m

Электрохимический потенциал слабо зависит от температуры. Расширение металлов при повышении температуры приводит к некоторому уменьшению концентрации электронов, что, в свою очередь, уменьшает электрохимический потенциал.

8

3. Носители тока в собственных полупроводниках

Электропроводность полупроводников в значительной степени зависит от внешних условий освещенности и температуры, а также от содержания примесей. Незначительные на первый взгляд добавки примесей (1 атом примеси на 104-105 атомов полупроводника) могут изменить электропроводность полупроводника в тысячи раз.

Для производства полупроводниковых приборов используются тщательно очищенные от посторонних примесей полупроводниковые монокристаллы, в которых влиянием примесей на электропроводность можно пренебречь. Например, в кремнии, являющемся в настоящее время основным материалом для производства полупроводниковых приборов, на 106 атомов полупроводника должно быть не более 1 атома примеси. Такие полупроводники назы-

вают собственными.

В полупроводниках существуют два типа носителей тока – отрицательно заряженные свободные электроны (при дальнейшем изложении электроны), и положительно заряженные дырки. Дырками называют квазичастицы, которые представляют собой незаполненные валентными электронами связи между ионами полупроводника. Дырки имеют положительный заряд, равный элементарному заряду. В собственных полупроводниках дырки возникают при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости. Энергетические состояния дырок находятся в валентной зоне. Электроны и дырки могут перемещаться по кристаллу полупроводника вследствие теплового движения или под действием электрического поля и переносить при этом электрический заряд, создавая электрический ток. Концентрация электронов обозначается символом n от латинского слова «negativ» отрицательный; концентрация дырок обозначается символом р от латинского слова «pozitiv» положительный.

При заполнении энергетических уровней в кристалле выполняется кванто- во-механический принцип Паули: в одном квантовом состоянии (определяется энергией состояния и направлением спина) может находиться только один электрон. Если температура собственного полупроводника близка к абсолютному нулю, все состояния в валентной зоне являются заполненными, а в зоне проводимости – пустыми. В этих условиях носителей в полупроводнике нет, и он не проводит электрический ток. Уровень Ферми в собственном полупроводнике находится посредине запрещенной зоны (рис. 1.6).

При повышении температуры в собственном полупроводнике происходит тепловая генерация носителей – заброс некоторого числа электронов из валентной зоны в зону проводимости (переход 1 2), при этом образуются собственные носители – электроны и дырки. Параллельно происходит обратный процесс – рекомбинация носителей (переход 3 4), в результате которой электроны заполняют дырки, что приводит к уменьшению количества носителей. В состоянии термодинамического равновесия частота генераций равна частоте рекомбинаций и в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация носителей.

9

Рис. 1.6. Схема энергетических зон в собственном полупроводнике: штриховкой выделены заполненные энергетические уровни

Концентрации свободных электронов и дырок в собственном полупроводнике равны между собой и определяются соотношением, полученным с помощью квантовой статистики:

	ni pi		exp		G			(1.6)
		NV NC					,
					2kT

где NV – объемная плотность энергетических уровней у потолка валентной зоны; NС – объемная плотность энергетических уровней у дна зоны проводимости; k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура.

Значения NV и NС рассчитываются по формулам квантовой статистики:

N 2		2 m*kT 3 2			N 2		2 mp*kT 3 2
		n		;				.
C		2			V		2

Носители тока в примесных полупроводниках

Электронные полупроводники (n – тип проводимости) получают введением в кристаллическую решетку 4-валентного собственного классического полупроводника (Si, Ge) небольшого контролируемого количества атомов 5 валентной донорной примеси (Р, As, Sb). Один из валентных электронов донорного атома не будет находиться в ковалентной связи с ионами кристаллической решетки и для его освобождения требуется значительно меньшая энергия, чем для освобождения электрона из валентной зоны. В полупроводниковом кристалле примесные атомы образуют в запрещенной

зоне донорные уровни D, расположенные вблизи дна зоны проводимостиC, на которых находятся в невозбужденном состоянии “избыточные” электроны донорных атомов. Энергия активации донорных электронов ( D = C

D) составляет ~ 0,01-0,03 эВ.

Вневырожденных n-полупроводниках (при низкой концентрации атомов донорной примеси) волновые функции электронов, находящихся на донорных уровнях, не перекрываются между собой. Следовательно, энергетиче-

10