Глава 1. Введение. Общие сведения. Диоды. Выпрямители. Фильтры

1.1. Введение

Техническая электроника – наука, которая изучает электрофизические свойства устройств и приборов, применяющихся в различных областях жизнедеятельности человека. Она развивает одну из отраслей электротехники и реализует знания о процессах в полу­проводниках, диэлектриках, в вакууме, плазме и т. д. при создании и использовании разнообразных изделий с электронными компонентами. На основе этой науки ор­ганизована электронная промышленность с автоматизи­рованными технологическими процессами и осуществля­ется эксплуатация электронной техники.

К изделиям электронной техники относятся промыш­ленные установки с электронными машинами и устрой­ствами для народного хозяйства и общественно-быто­вого назначения: автоматическое технологическое обо­рудование, радио- и телевизионная аппаратура, меди­цинские электронные приборы, электронные вычисли­тельные машины, электронные нагревательные аппараты и т.д.

Электронные изделия можно условно подразделить на информационные и энергетические. Первые используются для измерения, контроля, преобразования и передачи сигналов, несущих информацию, и составляют техническую базу средств автоматизации и информатизации. Вторые преобразуют электрическую энергию для различных нужд народного хозяйства с наибольшим коэффициентом полезного действия.

1.2. Общие сведения

1.2.1. Основные понятия физики полупроводников

Полупроводниковые приборы представляют со­бой широкий класс приборов, использующих различные свойства полупроводниковых материалов. К полупроводниковым обычно относят материалы, удельное сопротивление которых при комнат­ной температуре составляет 10^-5…10^-6 Омм. По величине удельно­го сопротивления они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Проводимость полупроводниковых материалов зависит от ко­личества и природы вводимых примесей, а также от воздействия электрического и магнитного полей, света, температуры и других внешних факторов.

В полупроводниковых приборах электрический ток вследствие дрейфа или диффузии носителей заряда проходит внутри твердого тела –

полупроводника. Основой получения носи­телей заряда является введение примесей в чистый полупроводник.

Атомы в кристалле полупроводника удерживаются на своих местах ковалентными (парноэлектронными) связями. Суть такой связи со­стоит в том, что валентные электроны, принадлежащие соседним атомам, вступают в парную электронную связь, т. е. движутся строго согласованно. У этих электронов появляются общие орбитали. В каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Напри­мер, атом германия или кремния содержит четыре валентных элек­трона, образующих ковалентные связи с четырьмя валентными электронами соседних атомов (рис.1.1). Каждая парноэлектронная связь показана двумя линиями, образующими эллипс. В кружках, изобра­жающих атомы, ставят цифры, указывающие валентность атомов кристалла.

Рис.1.1. Образование ковалентных связей в кри­сталле полу­проводника

Кристаллическое твердое тело – это упорядоченная система связанных между собой атомов в пространстве. Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает некоторой определенной энер­гией и орбитальной скоростью (находится на определенном энерге­тическом уровне). Поэтому он может двигаться вокруг ядра толь­ко по определенным орбиталям (энергетическим уровням). Всякое перемещение электрона с одного уровня на другой происходит только в результате изменения его энергии. Совокупность уровней образует энергетический спектр (или зоны) электронов атома. Энергетический спектр электронов имеет прерывистую (дискретную) структуру. Перемещение электрона с более низкого уровня на более высокий происходит в том случае, если ему сообщается дополнительная энергия извне. Обратное перемещение электрона сопровождается потерей им энергии.

Если атомы находятся друг от друга на больших расстояниях, их электрические поля практически не взаимодействуют. При сближении атомов в кристалле каждый энергетический уровень электронов атома расщепляется на полосу энергетических уровней (зону). Зоны носят название валентной (ВЗ), запрещенной (ЗЗ) и зоны проводимости (ЗП).

В соответствии с взаимным расположением этих зон твердые тела условно делят на металлы (проводники), полупроводники и диэлектрики (непроводники). У металлов ВЗ и ЗП перекрываются, т.е. отсутствует ЗЗ. Все валентные электроны участвуют в проводимости.

У полупроводников заполненная ВЗ отделена от ЗП небольшой ЗЗ (0,5…3эВ). За счет энергии, полученной извне, электроны из ВЗ могут преодолеть ЗЗ и частично заполнить ЗП, обеспечив незначительную электропроводимость материалу.

В диэлектриках ширина ЗЗ велика (более 3эВ), поэтому внешними воздействиями невозможно сообщить электрону энергию, соответствующую ЗП. ВЗ у них целиком заполнена, а в ЗП электроны отсутствуют. Электропроводимость таких веществ практически равна нулю.

Примеси в кристалле полупроводника ведут себя двояко: они либо отдают свой электрон, либо захватывают его из решетки основного кристала, создавая тем самым избыток соответственно электронов или дырок.

Если в структуру чистого германия или кремния ввести атом вещества, относящегося к пятой группе периодической системы, то этот атом также образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами чистого кристалла. Однако атомы этих примесей имеют в этой оболочке не четыре, а пять валентных электронов. При замещении атома чистого кристалла атомом примеси четыре валентных электрона примеси вступают в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кристалла полупроводника, а пятый электрон примеси оказывается избыточным. Он связан с атомом примеси лишь кулоновскими силами, и поэтому его энергетическое состояние более высокое, а энергия связи с атомами значительно меньше энергии остальных четырех электронов. Получив небольшое количество дополнительной энергии, пятый электрон может легко покинуть свой атом. Уход электрона превращает атом примеси в положительно заряженный ион. Последний прочно связан с кристаллической решеткой.

Увеличивая число атомов примеси в кристалле германия или кремния, тем самым увеличивают содержание в нем свободных электронов. При этом содержание дырок не изменяется. Если концентрация электронов существенно превышает концентрацию дырок, то можно считать, что в данном кристалле основными носителями заряда являются электроны. Доля собственной проводимости в таком полупроводнике оказывается ничтожной. Такие полупроводники называют электронными или n-типа. Атомы же примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называют донорами.

Если в кристаллическую решетку чистого кристалла полупроводника вводится атом вещества, относящегося к третьей группе периодической системы, то он образует только три заполненные ковалентные связи. Четвертая связь остается незаполненной, однако она не несет заряда, поэтому атомы примеси и кристалла полупроводника являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних заполненных ковалентных связей может перейти на место этой незаполненной связи. Во внешней оболочке примеси при этом появляется лишний электрон, и атом примеси превращается в отрицательно заряженный ион. Нарушается и электрическая нейтральность той связи, откуда электрон пришел в свободную связь примеси. В ней появляется положительный заряд, т.е. образуется дырка. Атомы примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки, неосновными –

электроны. Полупроводники с такими примесями называют дырочными или p-типа.

Часто примесные полупроводники содержат как доноры, так и акцепторы. У таких полупроводников характер проводимости зависит от разности концентрации доноров и акцепторов.