Физические основы электроники Введение

Дисциплина «ФОЭ» является теоретической основой при изучении таких дисциплин, как «Преобразовательная техника», «Электрические и электронные аппара­т­ы», «Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах» и др. Имеет целью изучение общих физических свойств электронных устройств входящих в состав различных электрических и электронных установок, а также характеристик и основ расчета электронных устройств.

К физической электронике относятся электронные и ионные процессы в вакууме, газах и полупроводниках, а также на поверхности раздела между вакуума или газом и твердыми или жидкими телами,

В технической электронике изучаются устройство электронных приборов и их применение в технике.

Область, посвященную применению электронных приборов в про­мышленности, называют – промышленной электроникой.

Основой для электроники являются работы физиков XVIII и XIX вв. В России - Ломоносов и Рихман, в Америке – Франклин, которые независимо друг от друга исследовали электрические разряды в воздухе.

В 1873 г. также независимо друг от друга русский академик Лодыгин и американский изобретатель Эдисон изобрели электровакуумный прибор – лампу накаливания.

В конце XIX, начале XX веков разрабатывается электронная теория. С этого времени начинается развитие электроники: открываются законы фотоэффекта, термоэлектронная эмиссия, изготавливается первая электронно-лучевая трубка. До 30-ых годов XX века создавались и усовершенствовались электронные лампы. С 30-ых годов происходит ин­тенсивное развитие полупроводниковой техники. Особенно большой вклад в это внесли ученые Ленинградского физтеха под руководством академика А. Ф. Иоффе.

С 1949 года в СССР началось производство транзисторов, которые были изобретены в 1948 г. в США. В конце 60-ых, начале 70-ых годов начат выпуск ИМС (БИС).

Промышленность выпускает большое количество различных типов полупроводниковых приборов.

По сравнению с электронными лампами полупроводниковые приборы имеют следующие достоинства:

• малую массу и размеры;

• отсутствие затраты энергии на накал;

• более высокую надежность и срок службы;

• большую механическую прочность;

• более высокий КПД;

• возможность работы при низких питающих напряжениях;

• возможность использования в микроэлектронной аппаратуре;

• более низкую стоимость.

Недостатками полупроводниковых приборов являются:

• параметры и характеристики имеют значительный разброс;

• свойства и параметры сильно зависят от температуры;

• свойства и параметры приборов со временем ухудшаются;

• собственные шумы иногда больше, чем у электронных ламп;

• многие типы транзисторов не пригодны для работы на ВЧ;

• R_вх.тр<К_{вх.ламп};

• полезная мощность ниже, чему электровакуумных приборов;

• работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под дей­ствием радиоактивного излучения.

Электропроводность полупроводников

Электроны в твердом теле не могут обладать произвольными энер­гиями. Энергия каждого электрона может принимать определеннее значения, называемые уровнями энергии, или энергетическими уровнями.

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают мень­шими энергиями, т.е. находятся на более низких энергетических уровнях.

При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более вы­сокий уровень (при воздействии источников тепла, света, электричества).

В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома составляют валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах.

В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях (за пределами оболочки атома, но вблизи нее). Эти уровни составляют зону проводимости, а электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим.

Атомы вещества, отдавшие валентные электроны в зону проводимости, располагаются в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочные движение электронов проводимости, не участвующих в создании кристаллической решетки.

У металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом отдает в зону проводимости хотя бы один электрон. Поэтому число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

В диэлектриках между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень небольшое число электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную тепловую энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

У полупроводников зонная диаграмма подобна диаграмме диэлектрика, только ширина запретной зоны меньше. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют 4 валентных электрона. Их кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.