МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Институт энергетики и электротехники

Кафедра «Промышленная электроника»

В.А. Медведев

Силовая электроника

Курс лекций

Тольятти

ТГУ

2014

1. Полупроводниковые приборы

1.1. Электропроводность полупроводников

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Особенность электропроводности полупроводников обуславливается спецификой распределения по энергии электронов атомов, которая характеризуется энергетической диаграммой полупроводника.

Рисунок 1.1 Рисунок 1.2

В соответствии с принципами квантовой механики электроны атомов могут обладать определенными значениями энергии и находиться на определенных (разрешенных) энергетических уровнях (рисунок 1.1). В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов. Электроны низших уровней связаны с атомами сильнее, чем электроны высших уровней. То есть по мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, связь его с атом ослабевает.

В отсутствии внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов, атом находится в исходном (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами – а верхние свободны. При наличии внешних воздействий (тепловые кванты- фононы, кванты света- фотоны, электрическое поле, магнитное поле и т. д.), электроны атома переходят на более высокие энергетические уровни или вовсе освобождаются от атомов и становятся свободными. При этом внешнему воздействию подвержены электроны верхних уровней, слабее связанных с атомом.

Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смешанные уровни энергии- подуровни (рисунок 1.2). Подуровни образуют зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе.

На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы. В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки запрещённая зона между соседними атомами разрешенных уровней может сохраниться или её может не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел:

• Проводники

• Диэлектрики

• Полупроводники

Рисунок.1.3 Рисунок 1.4 Рисунок 1.5

В металлах (рисунок 1.3) энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, в полупроводниках (рисунок 1.4) и диэлектриках (рисунок 1.5)- прерывистый. Зоны разрешенных значений разделены запрещенной зоной . На энергетических диаграммах можно выделить две зоны разрешенных значений - нижнюю (заполненную или валентную) и верхнюю (свободную или зону проводимости). В отсутствии внешних воздействий на электроны и при все уровни нижней зоны заполнены электронами, а в верхней зоне электронов нет.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне (рисунок 1.3). Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону проводимости. Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое количество свободных электронов, обеспечивающих его высокую электропроводность.

В полупроводниках (рисунок 1.4) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии . Величина определяет энергию в электрон-вольтах, которую нужно сообщить электрону, чтобы он перешел с верхнего энергетического уровня в валентной зоне на нижний энергетический уровень в зоне проводимости. Необходимость сообщения достаточно большой энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и уменьшает электропроводность материала. Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов, особенно от температуры. Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел не превышает 3 эВ. Их электрическая проводимость возникает при .

Диэлектрики (рисунок 1.5) отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. У них . Поэтому проводимость диэлектриков мала и становится заметной при или сильных электрических полях (пробой).