Твердотельная электроника. Курс лекций

1.

Нижегородский государственный технический университет
Образовательно-научный институт электроэнергетики
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Твердотельная электроника
«Твердотельная электроника».
Курс лекций.
слайд 1

2.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1. Полупроводники в электронике
1. 1 Энергетические уровни и зоны
Рис. 1 Разрешенные орбиты
электрона в атоме водорода
Рис. 2 Энергетические уровни
атома водорода
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 2

3.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.2 Проводники, полупроводники и диэлектрики
Рис. 3 Расщепление энергетических
уровней электронов в твердых телах
Рис. 4 Зонные энергетические диаграммы различных
твердых веществ: проводник (а); полупроводник (б) и
диэлектрик (в)
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
Слайд 3

4.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1. 3 Электропроводность полупроводников
1.3.1 Собственная проводимость полупроводников
Рис. 5 Кристаллическая решётка кристалла кремния
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 4

5.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.3.2 Примесная проводимость полупроводников
Рис. 6 Атом фосфора в кристалле кремния
Рис. 7 Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по
энергетическим уровням (б) полупроводника с донорными
примесями
Примесь, за счёт которой ni>pi, называется
донорной примесью.
Полупроводник, у которого ni>pi, называется
полупроводником с электронным типом проводимости,
или полупроводником n-типа.
В полупроводнике n-типа электроны называются
основными носителями заряда, а дырки – неосновными
носителями заряда.
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 5

6.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Рис. 8 Атом бора в кристалле кремния
Примесь, при которой pi>ni, называется
акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого pi>ni, называется
полупроводником с дырочным типом проводимости,
или полупроводником p-типа.
В полупроводнике p-типа дырки называются
основными носителями заряда, а электроны –
неосновными носителями заряда.
Рис. 9 Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по
энергетическим уровням (б) полупроводника с акцепторными
примесями
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 6

7.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.3.3 Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
I p.диф e Dp
I n.диф e Dn
p
x
n
x
где Dp и Dn – коэффициенты диффузии.
Рис. 10 Распределение концентраций
примесей полупроводника
Дрейфовый ток в полупроводнике – это ток, возникающий за счёт приложенного
электрического поля.
Диффузионный ток – это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации
носителей заряда.
n2>n1. n2-n1=Δn.
Отношение n – это градиент неравномерности концентрации примесей.
x
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 7

8.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.4. P-n переход
1.4.1 Образование p-n перехода
Рис. 11 Образование диффузионного тока на границе p-n
перехода
Рис. 12 Потенциальная диаграмма и контактная
разность потенциалов p-n перехода
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 8

9.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Рис. 13 Контактные разности потенциалов при прямом и обратном включениях p-n перехода
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 9

10.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.5 Свойства p-n перехода
К основным свойствам p-n перехода
относятся:
свойство односторонней проводимости;
температурные свойства p-n перехода;
частотные свойства p-n перехода;
пробой p-n перехода.
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 10

11.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Ток через p-n переход может быть определён следующим образом:
I I 0 (e
e' U
k T
1)
где I0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;
e – основание натурального логарифма;
e’ – заряд электрона;
Т – температура;
U – напряжение, приложенное к p-n переходу;
k – постоянная Больцмана.
При прямом включении:
При обратном включении:
e U
k T
'
I обр I 0 (e c U 1)
I I 0 (e 1)
e'
const c
k T
I f (U )
e c U 1
I обр I 0
I np I0 (ec U 1)
ec U 1
I np I0 ec U
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 11

12.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
С
С
0 S
d
0 Sp n
x
Сдиф
Рис. 14 Вольтамперные
характеристики p-n перехода при
различных температурах среды
Рис. 15 Барьерная ёмкость p-n
перехода
Q
U np
Q – суммарный заряд,
протекающий через p-n
переход.
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 12

13.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Рис. 16 Ёмкость и сопротивление p-n перехода
Ri – внутреннее сопротивление p-n перехода.
Ri очень мало при прямом включении [Ri = (n∙1 ÷ n∙10) Ом]
и будет велико при обратном включении [Riобр = (n∙100 кОм ÷ n∙1 МОм)].
Xc
1
c
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 13

14.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
Пробой p-n перехода. Iобр = - Io
Рис. 17 Вольтамперная характеристика p-n перехода при пробое
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 14

15.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.6. Переход Шоттки
1.6.1 Образование перехода Шоттки
Рис. 18 Образование перехода Шоттки
Достоинства перехода Шоттки:
отсутствие обратного тока;
переход Шоттки может работать на СВЧ;
высокое быстродействие при переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.
Недостаток – стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 15

16.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.7. Некоторые эффекты полупроводников
1.7.1 Тоннельный эффект
Ri
U U в U a
I
Iв Ia
Рис. 19 Вольтамперная характеристика тоннельного p-n перехода
I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр.,
где: Iт.пр. – прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямом
включении;
Iт.обр. – обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;
Iпр. – прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими
потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 13

17.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.7.2 Эффект Гана
Эффект Гана проявляется в полупроводниках n-типа проводимости
в сильных электрических полях.
Рис. 20 Зависимость тока в полупроводнике от напряжённости электрического поля
при эффекте Гана
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 17

18.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
1.7.3 Эффект Холла
Эффект Холла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости
с протекающими через них токами и помещёнными в магнитное поле.
Рис. 21 Образование ЭДС Холла в полупроводнике
«Твердотельная электроника».
лекция1
Курс лекций.
слайд 18

19.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»
That’s all
folks...
«Твердотельная электроника».
Курс лекций.