73

Лекция 1 Задачи курса

Данная дисциплина читается студентам второго курса специальности 2201 и рассчитана на 34 часа лекций.

Материал курса разбит на несколько частей, излагаемых последовательно со связью между разделами. Это требует последовательного изучения материала т.к. последующий материал может быть освоен только по изучению предыдущего.

В курс включены разделы:

- элементы физики полупроводников (P-N переход и его работа),

- полупроводниковые элементы (диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы и т.п.),

-электронные устройства (аналоговые электронные устройства: усилители на локальных транзисторах, операционные усилители, источники тока, источники напряжения, функциональные устройства и т.д.; импульсные электронные устройства: формирователи импульсов, логические элементы и т.д.).

Элементы физики полупроводников

Кристаллическая структура полупроводника, виды проводимости полупроводника.

Проводимость твердых тел вы изучали в курсе "Физика", а в данном курсе остановимся только на некоторых аспектах проводимости полупроводниковых материалов. К полупроводниковым материалам относятся кремнийSi и германийGe. Каждый из них четырехвалентен, т.е. имеет во внешней оболочке по четыре валентных электрона. Для лучшего понимания структуры кристалла воспользуемся ее представлением на плоскости.

Как видно из рисунка в узлах кристаллической решетки находятся атомы кремния, состоящие из ядра и расположенных вокруг ядер четырех электронов. Все четыре электрона находятся в валентной связи с электронами четырех соседних атомов. Такое положение приводит к тому, что в кристалле нет свободных носителей зарядов и как следствие в кристалле, при обычных условиях, отсутствует проводимость.

Е

Рис. 1. Кристаллическая решетка кремния (Si).

сли из кристалла кремния вырезать прямоугольный параллепипед, на противоположные грани нанести металлизацию, к которой приварить выводы, и эту конструкцию включить в электрическую цепь, то тока в этой цепи не будет.

Совершенно однородная структура (рис.1) бывает у полупроводника лишь при температуре абсолютного нуля. По мере нагревания часть валентных связей нарушается под действием тепловых колебаний атомов в решетке. Нарушение валентных связей приводит к одновременному появлению свободных электронов и пустых местдырок. Такая дырка ведет себя подобно частице с положительным зарядом. Она, так же как и электрон, совершает хоатическое движение в течение некоторого времени (времени жизни носителя заряда), а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов. Наличие свободных носителей в кристалле при его нагреве приводит к появлению проводимости. Проводимость полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называютсобственной.

Полупроводниковые технологии позволяют осуществить замену атомов в кристаллической решетке атомами другого вещества (примесями), образующаяся при этом проводимость называют примесной.

Е

Рис. 2. Полупроводник типа n.

сли в кристалл кремния ввести атом пятивалентного фосфора, то четыре из его валентных вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую кристаллическую систему, а пятый валентный электрон фосфора оказывается слабо связанным с ядром, легко отрывается и становится свободным носителем заряда. Таким образом, в кристалле кремния образуют примесную проводимость. Полупроводники, имеющие свободные электроны называют полупроводниками сэлектроннойпроводимостью или полупроводниками типаn.

О

Рис. 3. Полупроводник типа р.

днако если в кристалл кремния встроить атом трехвалентного бора, то его три валентных электрона вступят в связь с тремя электронами соседних атомов кремния, образуя устойчивую систему. Четвертый соседний по кристаллической решетке атом кремния не получит валентного электрона от атома бора, так как у бора четвертого электрона нет. На месте этого отсутствующего электрона образуется дырка, которая слабо связана с ядром и ведет себя подобно свободному электрону. Но дырка имеет положительный заряд, поэтому полупроводники имеющие свободные дырки называютдырочнымиили полупроводники типаp.

В примесных полупроводниках в одном кристалле присутствуют как электроны, так и дырки. В зависимости от типа полупроводника концентрации носителей зарядов различны, так в полупроводниках типа n(электронная проводимость) концентрация электронов значительно выше, чем концентрация дырок. В полупроводниках типаp(дырочная проводимость) наоборот. Носители заряда, концентрация которых выше называютосновными, а те концентрация, которых ниже называютнеосновными.