Физические основы полупроводниковой электроники

Лекция 5

Основные параметры катушек индуктивности

Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.

Добротность- отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.

Собственная емкость является паразитным параметром. Наличие собственной емкости катушки обусловливает увеличение потерь энергии и уменьшение, стабильности настройки колебательных контуров. В диапазонных контурах собственная емкость катушки уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.

Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I0 С.

Твердые вещества по их способности проводить электрический ток делятся на три группы:

1. проводники (металлы);

2. диэлектрики (изоляторы);

3. полупроводники.

По спо­собности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от темпера­туры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Причи­ны такого сходства диэлектриков и полупроводников кроются в построении их атомной структуры.

Атом состоит из центрального ядра, образован­ного из протонов и нейтронов. Вокруг ядра распо­ложены орбиты электронов. Атом имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, электри­чески нейтрален.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Электроны в атоме груп­пируются в оболочки, находящиеся на некоторых расстояниях от ядра. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее электронов внутренних оболо­чек. Количество электронов, которое атом может отдать на общее благо, или наоборот, количество электронов, которое атом может принять от другого атома, называется валентностью данного вещества. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы. Связь между атомами, обеспечиваемая общими электронами, называется ковалентной связью.

В проводниках электронные оболочки атомов сильно перекрываются и валентные электроны перестают быть жестко связанными с какими-либо определенными атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в объеме вещества, совершая при от­сутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение.

При наличии внешнего электрического поля свободные электроны получают некоторое поступательное движение, которое называют их дрейфом. Дрейф отрицательно заря­женных электронов образует электрический ток. Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении, и электропроводность метал­лов понижается.

В диэлектриках электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с яд­ром и не могут свободно перемещаться даже при повышении температуры. В связи с этим внешнее электрическое поле не приводит к появлению в диэлектриках заметного электрического тока. Однако при высокой напряженности электрического поля может произойти отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, которое называет­ся пробоем диэлектрика.

Химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю. Однако с повыше­нием температуры тепловые колебания атомов полупроводников приводят к увеличе­нию энергии валентных электронов, которые могут оторваться от атомов и начать сво­бодное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводни­ки в отличие от диэлектриков имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, поэтому электропроводность по­лупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.

На электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси. При наличии примесей происходит появление избыточных валентных электронов, которые лег­ко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропро­водности при этом может быть весьма существенным. Так, например, для германия нали­чие всего 0,001% примесей приводит к увеличению электропроводности в 10⁴ раз. Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, назы­вают его примесной проводимостью.

В соответствии с зонной теорией твердого тела электроны, могут иметь только определенные дискретные уровни энергии и, сле­довательно, могут занимать только дискретные орбиты, между которыми располагают­ся зоны запрещенных энергий. Это значит, что для атомов каждого вещества, кроме мест, соответствующих основному состоянию электрона, существуют еще места, соответствующие первому, второму и так далее возбужденным состояниям. При объединении атомов в кристалл эти места также образуют зоны. На рис. 5.1 изображена зонная диаграмма кристаллического твердого тела.

Рис.5.1. Зонная диаграмма

Как видно из рисунка, зонная диаграмма представляет собой чередование интервалов, заполненных свободными местами, с интервалами, где свободных мест нет. Эти последние интервалы (где нет свободных мест) называются запрещенными зонами. В пределах запрещенной зоны нет ни одного значения энергии, которое мог бы принимать электрон. В пределах разрешенной зоны количество свободных мест определяется количеством валентных электронов в атоме данного вещества.

Валентные электроны стремятся занять места с наименьшей энергией, т.е. самые нижние зоны, показанные на рис.5.1, или самые нижние орбиты. Поэтому при температуре абсолютного нуля какое-то количество зон (это количество определяется видом вещества) оказывается полностью занятым электронами. Самая верхняя из нижних зон (т.е. соответствующая большим значениям энергии), в которой все свободные места при температуре абсолютного нуля заняты электронами, называется валентной зоной. Над валентной зоной обычно расположена запрещенная зона, а над запрещенной - разрешенная свободная зона. При температуре абсолютного нуля все места в разрешенной зоне свободны (свободная зона).

Количество электронов, находящихся в свободной зоне, или, концентрация свободных электронов, зависит от температуры и ширины запрещенной зоны, разделяющей свободную и валентную зоны. Концентрация электронов в свободной зоне тем больше, чем выше температура и чем меньше ширина запрещенной зоны.

Шириной запрещенной зоны называется уровень энергии ΔW между двумя соседними разрешенными зонами.

Рис. 5.2. Зонная диаграмма полупроводника с собственной электропроводностью

На рис. 5.2 приведена энергетическая диаграмма полупроводника, в которой последняя разрешенная полностью занятая зона называется валентной, а первая раз­решенная свободная зона называется зоной проводимости. Между этими двумя раз­решенными зонами располагается запрещенная зона с шириной ΔW. Внутри разрешенных зон энергетические уровни располагаются так близко, что можно считать их практически непрерывными. При этом электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости, если он получит дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны.

По значениям ширины запрещенной зоны все вещества также можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники. Если ширина запрещенной зоны боль­ше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны меньше 3 эВ, то вещество считается полупроводником. У проводников валентная и свободные зоны настолько широкие, что они перекрываются и запрещенная зона между ними попросту отсутствует. Большинство металлов - проводники. Достаточно поместить проводник во внешнее электрическое поле, как по нему сразу начинает протекать электрический ток.

Среди различных полупроводников в электронной технике наиболее широкое при­менение нашли три вещества: германий, кремний и арсенид галлия. Наименьшее значение ши­рины запрещенной зоны имеет германий, а наибольшее значение — арсенид галлия. Кремний занимает промежуточное положение. Применение германия ограничено малой шириной запрещенной зоны, что при­водит к большому току утечки при повышении температуры. Наиболее широкое рас­пространение в полупроводниковой электронике получил кремний, который имеет умеренно широкую запрещенную зону и высокую температуру плавления. Самую широкую запрещенную зону имеет арсенид галлия. Он также имеет высокую подвижность носителей зарядов и высокую температуру плавления. Главным недостат­ком арсенида галлия является малое время жизни неосновных носителей зарядов.

Дата добавления: 2014-01-05