P-n-переход и его свойства. Электроника — отрасль науки и техники, изучающая:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Электроника — отрасль науки и техники, изучающая:

• физические явления и процессы в полупроводниковых приборах;

• электрические характеристики и параметры полупро­водниковых приборов;

• свойства устройств и систем, основанных на приме­нении полупроводниковых приборов.

Самые важные исторические моменты в развитии электроники отмечаются следующими датами:

1885 г. - Дж. Максвелл разработал теорию электро­магнитных волн;

1883 г. - Т. Эдисон открыл термоэлектронную эмис­сию;

1886 г. - Г. Герц открыл электромагнитные волны, го­дом позже - фотоэмиссию;

1897 г. - Дж. Томсон открыл электрон;

1906 г. - Л. де Форест изобрел триод;

1948 г. - У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин изобре­ли транзистор.

Основные направления развития электроники:

Интегральная микроэлектроника - разработка и вне­дрение методов предельного уменьшения физических раз­меров элементов микросхемы, что приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению энергопо­требления; внедрение микропроцессорной техники в са­мые различные производственные процессы.

Функциональная электроника - создается на основе физической интеграции, то есть когда функциональные свойства диодов, транзисторов реализуются за счет ато­марных, межмолекулярных связей.

Оптоэлектроника - основана на использовании про­цессов преобразования электрических сигналов в оптиче­ские и наоборот, преимущества - неисчерпаемые возмож­ности повышения рабочих частот и использование прин­ципа параллельной обработки информации.

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупровод­ники занимают промежуточное положение между провод­никами и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - Ge (германий) и Si (кремний).

Чистые полупроводники кристаллизуются в виде решетки (рис. 79 а). Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтобы «вырвать» электрон в зону проводимости, необходимо затратить большую энергию.

Чистые полупроводники обладают высоким удель­ным сопротивлением (от 0,65 Ом-м до 10⁸ Ом-м). Для сни­жения высокого удельного сопротивления чистых полу­проводников в них вводят примеси, такой процесс называ­ется легированием, а соответствующие полупроводнико­вые материалы - легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодиче­ской системы элементов Д.И. Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных элек­трона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном (рис. 79 б). Такие полупроводники обладают дырочной электропро­водностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место, не занятое электроном, которому присваивается положительный за­ряд. Такие полупроводники также называются полупроводниками р-типа, а примесь, благодаря которой в полу­проводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных элек­тронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним (рис. 79 в). Такие полупро­водники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются элек­троны. Они называются полупроводниками п-типа, а при­месь, благодаря которой в полупроводнике оказался избы­ток электронов, называется донорной.

Рис. 79. Фрагмент решетки: а) чистого полупроводника;

б) полупроводника с акцепторной примесью;

в) полупроводника с донорной примесью

Удельное электрическое сопротивление легиро­ванного полупроводника существенно зависит от концен­трации примесей. При концентрации примесей 10²⁰ ÷ 10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5·10^-6 Ом·м для германия и 5·10^-5 Ом·м для кремния.

Основное значение для работы полупроводнико­вых приборов имеет электронно-дырочный переход, кото­рый называют р-п-переходом (область на границе двух по­лупроводников, один из которых имеет дырочную, а дру­гой - электронную электропроводность).

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определен­ную часть полупроводника р-типа в нем образуется об­ласть полупроводника n-типа, граничащая с полупровод­ником р-типа.

Схематически образование p-n-перехода при со­прикосновении двух полупроводников с различными ти­пами электропроводности показано на рис. 80. До сопри­косновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были распределены равномерно (рис. 80 а).

Рис. 80. Образование p-n-перехода: распределение носителей заряда

Дата добавления: 2015-05-06