Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника”

          МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет радиоэлектроники и медицинской техники

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Общая электротехника и электроника

Методические указания к практическим занятиям

Составитель:

Владимир 2002

Введение

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника” (часть II) содержат краткие теоретические сведения, вопросы и задачи по изучаемой дисциплине. Основное внимание уделено  контактным явлениям в твёрдых телах, физическим процессам в полупроводниках и электронных приборах на их основе. Решение многих задач помогает уяснить физический смысл явлений, прививает навыки практического применения теоретических знаний, показывает связь количественных характеристик с качественными признаками.

Расчёт параметров и характеристик полупроводниковых материалов, электронных приборов и простейших схем с их применением производится по формулам с учётом ряда допущений, а также с учётом только определённых физических процессов, происходящих в реальных электронных приборах. Практические расчёты должны развивать у студентов понимание пределов применимости соответствующих формул, а также наполнять физическим содержанием получаемые результаты.

Энергетические зоны твёрдого тела

Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твёрдого тела. Как известно, изолированный атом характеризуется дискретным спектром энергий, разрешённых для электрона.

Твёрдое тело представляет собой совокупность атомов, сильно взаимодействующих благодаря малым межатомным расстояниям. Эта совокупность характеризуется некоторым единым для всего тела энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит не из дискретных уровней, а из дискретных разрешенных зон. То есть для кристалла получается определенная зонная диаграмма, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными. Ширина тех и других не превышает нескольких эВ и не зависит от числа атомов в твердом теле, то есть от его размеров.

Проводимость в твердом теле возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью) электронами при 0 К, называют зоной проводимости. Зону, ближайшую к зоне проводимости, называют валентной зоной. При нулевой температуре (0 К) она полностью заполнена,  и , следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Но при температуре выше 0 К в верхней части валентной зоны образуются свободные уровни, и эта зона также может обусловить проводимость (дырки).

Зонная структура  твердого тела при 0 К лежит в основе классификации металлов, полупроводников и диэлектриков.

зона проводимости и           при 0 К зона проводимости пуста, это валентная зона                 качественное отличие от металлов перекрываются               (а для дырок почти пуста валентная зона)

Различия между полупроводниками и диэлектриками в основном обусловлены различием ширины запрещенной зоны (у диэлектриков она больше).

Поскольку зона проводимости практически сплошная, энергия электронов в этой зоне может меняться непрерывно, поэтому электроны в зоне проводимости называются свободными. Это значит, что они могут перемещаться внутри твердого тела, но не могут вылететь за пределы кристалла.

Зонная структура полупроводника

При 0 К проводимость в собственном полупроводников отсутствует, потому что зона проводимости пуста, а валентная заполнена. При повышении температуры некоторые электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. В результате в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в валентной зоне  - незаполненные уровни, причем они образуются одновременно и в равных количествах, то есть появляются электронно-дырочные пары. При увеличении температуры их количество растет, растет и собственная проводимость полупроводников.

В примесных полупроводниках содержание примесных атомов мало, их можно рассматривать как изолированные атомы, поэтому разрешенные уровни не превращаются в зоны (штрихи).

 зона проводимости                      зона проводимости   уровни доноров     зона проводимости

  запрещённая зона