Физические основы электроники. Электронные приборы

1.

Раздел 2. ЭЛЕКТРОНИКА
Тема 2.1. Физические основы электроники. Электронные приборы

2.

Электропроводность полупроводников
Полупроводник (п/п) – вещество с выраженной зависимостью удельной проводимости от воздействия
внешних факторов (t°, ЭМП, света, излучения).
К п/п материалам относят кремний Si, германий Ge, арсенид галлия GaAs, карбид кремния СаС2 и др.
Кристаллы п/п имеют атомную кристаллическую решетку.
Si, Ge, GaAs, СаС2
Германий

3.

Ge
Ge
е
Ge
Ge
_
Ge
Ковалентные связи прочны и при низких t° не разрываются.
При нагреве п/п энергия валентных электронов растет и связи рвутся. Электрон е
становится свободным.
Без внешнего поля движение электронов хаотично

4.

Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного
места в нарушенной ковалентной связи – электронной дырки р.
Электронная дырка имеет положительный заряд.
При отсутствии внешнего поля положение дырок в кристалле также меняется
хаотично.
р

5.

При тепловом движении образуются пары
е-р
с их частичным воссоединением
– рекомбинацией.
При постоянной температуре число пар в единице объема постоянно

6.

Проводимость п/п, вызванная наличием свободных электронов называется
электронной проводимостью (n типа)
Упорядоченное движение дырок в направлении линий напряженности поля, т.е.
в направлении обратном перемещению электронов, называется дырочной
проводимостью (р типа)
+
-
+
+
+
-
+
+
-
+
-
+
-
Еп
Проводимость чистых п/п, без примесей, называется собственной
проводимостью.
Из-за малого числа свободных носителей зарядов собственная проводимость
полупроводников не велика.

7.

В п/п с примесью наряду с собственной проводимостью возникает примесная
проводимость.
Внесение примесей в чистые проводники называется легированием.
Примеси бывают донорными и акцепторными.
Схема связи примеси с германием
Пятивалентной (донорной)
Трехвалентной (акцепторной)

8.

Примеси 5-й валентной группы (мышьяк, сурьма) вытесняют отдельные атомы п/п в
кристаллической решетке, при этом появляется один лишний электрон, слабо
связанный с ядром атома примеси. Лишние электроны атомов примеси
оказываются свободными.
Примеси, легко отдающие электроны, называются донорными.

9.

-
-
+
-
-
-
-
-
+
-
-
-
+
-
Еп
При наличии ЭП свободные электроны начинают упорядоченное движение в
кристалле п/п и в нем возникает электронная примесная проводимость (п/п n – типа).
В проводнике n – типа электронов больше дырок, т.е. основными носителями
зарядов являются электроны, неосновными –дырки.

10.

Внесение в п/п примесей 3-й группы (индий, галлий) приводит к тому, что
одна из четырех ковалентных связей каждого атома будет незаполненной. В
решетке образуется дырка. Такого рода примеси называют акцепторными
(принимающими).

11.

+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Еп
Под действием ЭП дырки перемещаются в направлении вектора
напряженности поля. П/п с преобладанием дырочной проводимости
называется п/п р-типа. В проводнике р-типа основными носителя заряда
являются дырки, неосновными – электроны.

12.

Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход (р-n-переход) – это область на границе двух п/п,
один из которых n, другой р типа.

13.

Р-n переход получают путем введения в примесный п/п дополнительной
легирующей примеси.
Например, при введении акцепторной примеси в п/п n-типа в нем
образуется область p- типа, граничащая с п/п n-типа.

14.

При соприкосновении п/п в пограничном слое происходит рекомбинация
электронов и дырок Свободные электроны из зоны n- типа занимают свободные
вакантные места парноэлектронных связей в зоне п/п р-типа. В результате вблизи
границы двух п/п образуется слой, где нет подвижных носителей зарядов. Этот слой
называется запирающим, его толщина несколько микронов.
Е зап

15.

16.

Обратное включение «р-n» перехода
Е зап
Е внеш
p
---
+++
---
+++
---
+++
- +
n
I обр
Присоединим к п/п источник постоянного тока, плюс к n- зоне, минус к p-зоне.
Внешнее поле повысит высоту потенциального барьера, т.к. вектор Е зап совпадает по
направлению с вектором Е внеш.
Ток через p-n переход обусловлен движением неосновных носителей заряда.
Величина тока очень мала, сопротивление перехода велико. Ток в данном случае
называют обратным, а p-n переход закрытым.

17.

18.

19.

Прямое включение «р-n» перехода
Е зап
Е внеш
p
I пр
---
+++
---
+++
---
+++
n
+ -
Присоединим плюс источника к p-зоне, а минус к n-зоне.
Внешнее поле понизит высоту потенциального барьера, т.к. Е зап
противоположно с Е внеш.
Ток через p-n переход обусловлен движением основных носителей заряда.
Величина тока велика, сопротивление перехода мало. Ток в данном случае
называют прямым, а p-n переход открытым.

20.

21.

22.

Рассмотрим полную вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n перехода

23.

1
3
2
Характеристика p-n перехода
нелинейна.
1. Е вн < Е зап и прямой ток мал.
2. Е вн > Е зап и прямой ток очень
велик.
3. Запирающий слой препятствует
движению основных носителей заряда,
небольшой ток определяется током
неосновных носителей.
4. Происходит пробой p-n перехода
и обратный ток быстро возрастает,
начинается лавинообразное
размножение носителей зарядов –
электронов и дырок.
4
Электронно-дырочный переход по отношению к току является
несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно
меньше, чем в обратном.
Закрытый p-n переход обладает электрической емкостью.

24.

Электронно-дырочные переходы широко применяются в
современных п/п приборах.
П/п приборы с одним p-n переходом называют диодами, с двумя –
транзисторами, с тремя –тиристорами.