Конспект лекций № 1-15 дисциплины "Электроника и схемотехника" (Физические основы и элементы полупроводниковых приборов. Полевой транзистор со встроенным каналом МОП, МДП)

Лекция 1

Физические основы и элементы полупроводниковых приборов

Как известно, энергия каждого электрона может принимать только определенное значение (энергетические уровни) и находится на определенных расстояниях от ядра. В соответствии с «зоной» теорией твердого тела энергетические уровни объединяются  в зоны. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд уровней составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов находящихся на более высоких уровнях и составляющих зону проводимости.

Зонная диаграмма полупроводников имеет такой же вид, как и у диэлектриков, но запрещенная зона намного меньше. При низких температурах полупроводники имеют свойства диэлектриков, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит в зону проводимости.

Проводимость полупроводников

Принцип работы полупроводниковых приборов основан на том, что в полупроводниках существует электропроводность двух типов. Так же, как и металлы, они обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов в зоне проводимости.

Дырочная электропроводность

Электронные дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность называются носителями заряда.

Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителя заряда. Вследствие хаотичного движения происходит и обратный процесс – рекомбинация.

Полупроводник без примеси называется полупроводником і-типа, его электропроводность называется собственной.

Удельная электропроводность зависит от концентрации носителей, тоисть, от их числа в единице объема. Основные – это Германий и Кремний ( атомов)

t=20;

Германий     ;

Кремний    

В металлах практически все атомы отдают свой электрон в зону проводимости. Если проводник поместить в электрическое поле, то носители начнут двигаться и соответственно создавать электрический ток (ток дрейфа).

Примесьная электропроводность

Если в полупроводнике имеется примесь других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется примесная, которая в зависимости от примеси может быть электронной или дырочной. Например, если4-валентному Германию Ge (4) добавить 5-валентную Сурьму Sb(5), Мышьяк (As), Фосфор (P), то они будут взаимодействовать с Германием 4-мя электронами, а 5 отдавать зоне проводимости.

Такая примесь называется донорной, а полученный полупроводник – n-типа. Если добавить 3-валентный (Бор, Индий или Алюминий), то они будут отбирать электроны  у Германия и в последствии образуются дырки.

Также примесь называется акцепторной, а полученный полупроводник р-типа. Что бы примесная электропроводность преобладала, необходимо чтобы концентрация примеси значительно превосходила концентрацию собственных носителей (в раз).

Носители концентрации, которых преобладает, называются основными. 

Носители концентрации, которых не преобладает, называются не основными. 

Увеличение концентрации основных носителей приводит к уменьшению концентрации не основных.

Диффузия носителей

У полупроводника помимо тока дрейфа может существовать диффузионный ток. Причиной которого является не разность потенциалов, а разность концентрации. Например, если часть полупроводника подвергнут действию излучения, то усилится генерация пар носителей и возникнет дополнительная, так называемая избыточная концентрация.

Так как носители имеют собственную концентрацию энергии, они стремятся перейти из мест с высокой концентрацией в места с более низкой концентрацией.

Убывание избыточной концентрации происходит за счет рекомбинации во времени и пространстве, и описывается временем жизни неравновесных носителей τ (убывания концентрации в е-раз после воздействия), L – убывание концентрации в е-раз от места воздействия (диффузорная длина).

Лекция 2

Структура электронно-дырочного перехода

Область на границе двух полупроводников с разными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом. p-n переход обладает несимметричной проводимостью и нелинейным сопротивлением. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании одного или нескольких p-n переходов.

Р-n переход при отсутствии внешнего напряжения

Так как носители совершают беспорядочное движение и имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одной области в другую, в результате возникают объёмные заряды обусловленные ионами примеси и неосновными носителями.

Между образовавшимися зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле с напряжённостью .

В p-n переходе возникает потенциальный барьер, припятствывающий диффузионному переходу носителей. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей() происходит и обратное перемещение за счёт электрического поля() при переход находится в состоянии динамического равновесия =.

Высота потенциального барьера устанавливается такой чтобы наступило равновесие.