Introduction. Physical foundations of the work of semi-conductor devices

1. ЭЛЕКТРОНИКА
Лекция 1

2. ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Тема:

3. ВВЕДЕНИЕ
Электроника представляет собой обширную область техники,
базирующуюся на изучении физических явлений в полупроводниках,
диэлектриках, вакууме, газе, плазме и т.д., для создания на их основе
разнообразных изделий с электронными компонентами.
Электроника изучает процессы движения электронов в различных
средах: вакууме, газе и твердом теле, различные эффекты,
сопровождающие это движение, а также взаимодействие движущихся
электронов с электромагнитным полем и излучением. Обычно этим
термином обозначают науку о формировании и управлении потоками
электронов и электромагнитных излучений (фотонов) в устройствах
приема, передачи, обработки и хранения информации.
Электроника представляет собой базу, на основе которой конструиру-
ются электронные приборы ̶ устройства, предназначенные для
преобразования электромагнитной энергии и изменения параметров
энергетических потоков.
Определение
3

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Разрешенные орбиты электрона
в атоме водорода
Энергетические уровни атома
водорода
Энергетические уровни и зоны
Полная энергия электрона, равная сумме его кинетической (движения
по орбите) и потенциальной (притяжения к ядру) энергий, называется
энергетическим состоянием атома.
Энергетические уровни могут быть разрешенными и запрещенными.
4

5. Энергетические зоны
Принцип Паули:
На любом энергетическом уровне одновременно может
находиться не более двух электронов, отличающихся моментами
импульса и спинами.
Расщепление энергетических
уровней электронов в твердых телах
Разрешенная зона, в которой при
температуре абсолютного нуля все
энергетические зоны заняты
электронами, называется
валентной.
Разрешенная зона, в которой при
температуре абсолютного нуля
электроны отсутствуют, называется
зоной проводимости.
Между валентной зоной и зоной
проводимости расположена
запрещенная зона.
5

6. Проводники, полупроводники и диэлектрики
Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:
а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик.
6

7. Полупроводники в периодической системе
Полупроводники – самый распространенный класс веществ.
7

8. Собственная электропроводность полупроводников
Структура связей атома кремния
в кристаллической решетке
8

9. Собственная электропроводность полупроводника
Генерация пары свободных носителей заряда «электрон-дырка»
9

10. Электропроводность, обусловленная движением свободных электронов,
называется электронной.
Электропроводность, обусловленная движением дырок – дырочной.
Электропроводность полупроводника, обусловленная парными носителями
теплового происхождения, называется собственной проводимостью.
Процесс образования пары носителей заряда «электрон-дырка» называют
генерацией пары.
Процесс восстановления разорванных валентных связей называется
рекомбинацией.
Определения
10

11. Распределение электронов по энергетическим уровням
Уровень Ферми – это такой энергетический уровень, вероятность
нахождения на котором заряженной частицы равна 0,5 при любой
температуре твердого тела.
– вероятность заполнения электроном
энергетического уровня W при температуре T
– вероятность того, что квантовое
состояние с энергией W свободно от
электрона
Функция распределения Ферми
11

12. Распределение электронов (дырок) по энергетическим
уровням для чистого полупроводника
12

13. Примесная электропроводность
Электрические свойства полупроводников зависят от содержания
в них примесей.
Электропроводность, возникающую за счет примесных атомов,
называют примесной.
В качестве регулирующих примесей применяют;
- трехвалентные элементы: бор, индий, галий, алюминий;
- пятивалентные элементы: сурьма, мышьяк, фосфор.
Примеси бывают донорные и акцепторные.
13

14. Донорные примеси
Донор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки,
создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в
невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном
состоянии отдать электрон в зону проводимости.
Структура полупроводника с донорными примесями.
Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.
14

15. Донорные примеси
Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по энергетическим
уровням (б) полупроводника с донорными примесями.
15

16. Акцепторные примеси
Акцептор – это примесный атом или дефект кристаллической
решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень,
свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный
захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.
Структура полупроводника с акцепторными примесями.
Такой полупроводник называют полупроводником р-типа.
16

17. Акцепторные примеси
Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по энергетическим
уровням (б) полупроводника с акцепторными примесями.
17

18. Процессы переноса зарядов в полупроводниках
Дрейф носителей заряда
Дрейфом называют направленное движение носителей заряда
под действием электрического поля.
Составляющая электрического тока в полупроводнике под
действием внешнего электрического поля называется дрейфовым
током:
Удельная электрическая проводимость равна отношению
плотности дрейфового тока к величине напряженности
электрического поля , вызвавшего этот ток E
18

19. Процессы переноса зарядов в полупроводниках
Диффузия носителей заряда
Диффузия – движение носителей заряда из-за градиента
концентрации, т.е. происходит выравнивание концентраций носителей
заряда по объему полупроводника.
Поток частиц при диффузии:
Полная плотность диффузионного тока, обусловленная
направленным перемещением носителей электрического заряда из
мест с большей концентрацией в места, где их концентрация меньше,
определяется как
19

20. 20