- •С.Н. Гринфельд физические основы электроники
- •1. Электропроводность полупроводников
- •1.1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел
- •1.2. Электропроводность собственных полупроводников
- •1.3. Электропроводность примесных полупроводников
- •1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
- •2. Электронно-дырочный переход
- •2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
- •2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
- •2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
- •2.4. Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода
- •Полупроводниковые диоды
- •3.1. Общие характеристики диодов
- •3.2. Виды диодов
- •4. Полупроводниковые транзисторы
- •4.1. Биполярные транзисторы
- •4.1.1. Общая характеристика
- •4.1.2. Принцип действия транзистора
- •4.1.3. Схемы включения транзисторов
- •4.1.5. Влияние температуры на статические характеристики бт
- •4.16. Составной транзистор
- •4.2. Полевые транзисторы
- •4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Структура и принцип действия пт
- •Характеристики птуп
- •Параметры птуп
- •Эквивалентная схема птуп
- •Схемы включения полевого транзистора
- •Температурная зависимость параметров птуп
- •4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Структуры пт с изолированным затвором
- •Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом
- •Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)
- •Статические характеристики мдп-транзистора со встроенным каналом
- •Максимально допустимые параметры полевых транзисторов
- •5. Тиристоры
- •5.1. Классификация тиристоров
- •5.2. Диодные тиристоры (динисторы)
- •5.3. Триодные тиристоры
- •5.4. Симметричные тиристоры (симисторы)
- •5.5. Зависимость работы тиристора от температуры
- •6. Усилители
- •6.1. Классификация, основные характеристики и параметры усилителей
- •6.2. Искажения в усилителях
- •6.3. Обратные связи в усилителях
- •6.3.1. Виды обратных связей
- •6.3.2. Влияние последовательной отрицательной ос по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя
- •6.3.3. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения и помехи
- •6.3.4. Влияние отрицательной ос на частотные искажения
- •6.3.5. Паразитные ос и способы их устранения
- •6.4. Усилители низкой частоты
- •6.5. Каскады предварительного усиления
- •6.5.1. Каскад с оэ
- •6 Рис. 6.21. График разрешенной области надежной работы транзистора.5.2. Стабилизация режима покоя каскада с оэ
- •6.5.3. Работа каскада с оэ по переменному току
- •6.5.4. Каскад с ок
- •6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •6.5.6. Схема с ос (истоковый повторитель)
- •7. Усилители постоянного тока
- •7.1. Определение усилителя постоянного тока. Дрейф нуля
- •7.2. Однотактные усилители прямого усиления
- •7.3. Дифференциальные усилители
- •7.3.1. Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов
- •7.3.2. Схемы включения дифференциального усилителя
- •7.3.3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
- •7.3.4. Разновидности дифференциальных усилителей
- •8. Определение и основные характеристики операционных услителей
- •8.1. Устройство операционных усилителей
- •8.2. Характеристики операционных усилителей
- •Усилительные характеристики
- •Дрейфовые характеристики
- •Входные характеристики
- •Выходные характеристики
- •Энергетические характеристики
- •Частотные характеристики
- •Скоростные характеристики
- •8.3. Классификация оу
- •8.4. Применение операционных усилителей
- •Неинвертирующий усилитель на оу
- •Повторитель напряжения
- •И Рис. 8.12. Схема инвертирующего усилителянвертирующий усилитель
- •Инвертирующий сумматор
- •У Рис. 8.14. Схема усредняющего усилителясредняющий усилитель
- •Внешняя компенсация сдвига
- •Дифференциальный усилитель
- •Неинвертирующий сумматор
- •Интегратор
- •Дифференциатор
- •Логарифмический усилитель
- •Усилители переменного напряжения
- •9. Устройства сравнения аналоговых сигналов
- •9.1. Компараторы
- •9.2. Мультивибратор
- •10. Микроэлектроника
- •10.1. Основные определения
- •10.2. Типы Интегральных схем
- •10.2.1. Классификация ис
- •10.2.2. Полупроводниковые ис
- •10.2.3. Гибридные ис
- •10.3. Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов
- •ЛабораторНые рабоТы Лабораторная работа 1 исследование статистических характеристик биполярного транзистора
- •О Рис. 1. Схема исследования характеристик транзистора по схеме с оЭписание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работ
- •Лабораторная работа 2 исследование однокаскадного усилителя с общим эмиттером
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа 3 дифференциального усилителя постоянного тока
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольная работа
- •Задание
- •Последовательность расчета усилителя
- •Последовательность Расчета усилителя в области низких частот
- •Экзаменационные вопросы
- •Литература
- •Содержание
- •Софья наумовна гринфельд физические основы электроники Учебное пособие
- •681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.
1.3. Электропроводность примесных полупроводников
Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда – дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной, либо дырочной электропроводности. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве: один атом примеси на 106 – 108 атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.
При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного химического элемента (мышьяка, сурьмы, фосфора) атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 1.6, а). Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно меньшую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов примеси становятся свободными.
Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, т.е. происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона, и слой полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового кристалла неподвижные заряды ионов примеси образуют нескомпенсированный положительный объемный заряд.
Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной, При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар «электрон – дырка», но количество электронов, возникающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок:
nn >>pn.
Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т.е. преобладает электронная составляющая тока. Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводникомn-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.
Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать, как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.
На энергетической диаграмме полупроводника n-типа (рис. 1.6, б) введение донорной примеси отражается появлением в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от друга расположенных локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при температуре абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энергии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти уровни показаны штрихами.
Ширина зоны ∆Wдравна разности между энергией нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01 – 0,07 эВ в зависимости от выбранного полупроводника и материала примеси. Этим объясняется то, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.
При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента (например, индия, алюминия, бора или галлия) атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполненной, т.е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом примеси может захватить электрон из ковалёнтной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.
Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный заряд иона примеси, и слой кристалла остается электрически нейтральным. В случае прихода в данный слой электрона из другого слоя и рекомбинации его с дыркой неподвижные заряды ионов примеси создают нескомпенсированный отрицательный объемный заряд.
Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полупроводника:
рp >np.
В электрическом токе, возникающем в таком полупроводнике, преобладает дырочная составляющая. Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводности называют полупроводником р-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.
Энергетическая диаграмма полупроводника р-типа представлена на рис. 1.7, б. Локальные уровни энергии атомов акцепторной примеси (показаны штрихами) расположены в запрещенной зоне вблизи валентной зоны исходного полупроводника. Все эти уровни свободны при температуре абсолютного нуля, а число их соответствует количеству атомов примеси в кристалле. Величина энергии ∆Wдравна разности между энергией акцепторного уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и величина ∆Wд для полупроводниковn-типа, мала и составляет 0,01 – 0,07 эВ в зависимости от материала исходного полупроводника и примеси. Поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни энергии оказываются занятыми электронами, которые переходят на них из валентной зоны. В результате в валентной зоне появляется большое количество вакантных уровней – дырок.
Таким образом, в примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные – за счет разрушения ковалентных связей и вызванной этим генерации пар носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей. При этом удельная электрическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную проводимость собственного полупроводника в сотни тысяч раз.
Кроме кремния и германия в качестве исходных полупроводниковых материалов в промышленности применяют арсенид галлия, селен, оксиды, карбиды и другие химические соединения элементов III и V групп, а также II и VI групп периодической системы Менделеева.