Физические основы электроники (стр. 1 из 16)
Министерство Российской Федерации
по связи и информатизации
Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики
В.Л. Савиных
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
для специальностей 071 700, 200 700,
200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400
Новосибирск
2003
УДК 621.385
Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики, параметры и простейшие схемы применения полупроводниковых электронных приборов.
ктн, доц. В.Л. Савиных,
Для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 071700, 200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.
Кафедра технической электроники.
Ил. 8, табл. 11, список лит. 4 назв.
Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А.
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве
учебного пособия
@ Сибирский государственный
университет телекоммуникаций
и информатики, 2003 г.
Содержание
Введение………………………………………………………
1 Основы теории электропроводности полупроводников.......
1.1 Общие сведения о полупроводниках....................................
1.1.1 Полупроводники с собственной проводимостью..............
1.1.2 Полупроводники с электронной проводимостью.............
1.1.3 Полупроводники с дырочной проводимостью..................
1.2 Токи в полупроводниках ....................................................
1.2.1 Дрейфовый ток...................................................................
1.2.2 Диффузионный ток...........................................................
1.3 Контактные явления...........................................................
1.3.1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
1.3.2 Прямое включение p-n перехода......................................
1.3.3 Обратное включение p-n перехода.................................
1.3.4 Теоретическая характеристика p-n перехода...........................
1.3.5 Реальная характеристика p-n перехода............................
1.3.6 Ёмкости p-n перехода......................................................
1.4 Разновидности p-n переходов..........................................
1.4.1 Гетеропереходы...........................................................
1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа проводимости
1.4.3 Контакт металла с полупроводником..........................................
1.4.4 Омические контакты...................................................................
1.4.5 Явления на поверхности полупроводника..............................
2 Полупроводниковые диоды.....................................................
2.1 Классификация.......................................................................
2.2 Выпрямительные диоды.......................................................
2.3 Стабилитроны и стабисторы.................................................
2.4 Универсальные и импульсные диоды...................................
2.5 Варикапы..............................................................................
3 Биполярные транзисторы...........................................................
3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.....
3.1.1 Общие сведения..............................................................................
3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе
3.2 Статические характеристики биполярных транзисторов.........
3.2.1 Схема с общей базой...............................................................
3.2.2 Схема с общим эмиттером........................................................
3.2.3 Влияние температуры на статические характеристики БТ.....
3.3 Дифференциальные параметры биполярного транзистора..................
3.4 Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора......
3.5 Частотные свойства биполярного транзистора...................................
3.6 Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов.
3.7 Работа транзистора в усилительном режиме......................................
3.8 Особенности работы транзистора в импульсном режиме..................
3.8.1 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды..............................................................................................
3.8.2 Работа транзистора в режиме переключения.................................
3.8.3 Переходные процессы при переключении транзистора..............
4 Полевые транзисторы..............................................................
4.1 Полевой транзистор с p-n переходом........................................
4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-ранзистор)...
Литература..............................................................................................
ВВЕДЕНИЕ
Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупровод-ников, контактным явлениям между полупроводниками различной прово-димости и между полупроводником и металлом. Рассматриваются принципы работы, характеристики и параметры полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых транзисторов различной структуры.
Для освоения дисциплины ²Физические основы электроники² достаточно знаний по общеобразовательным и общетехническим предметам в объёме, предусмотренном учебными программами. После изучения данной дисциплины студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре. Подробное рассмотрение физических основ явлений, принципов работы, параметров, характеристик и моделей приборов направлено на развитие у студентов умение самостоятельно решать задачи моделирования, анализа и синтеза радиоэлектронных устройств при их проектировании и эксплуатации.
Однако в учебном пособии отсутствуют сведения о большой и постоянно обновляемой номенклатуре электронных приборов. Необходимый материал по этим вопросам можно найти в справочниках, каталогах и других изданиях.
1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью
К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.
В создании электрического тока могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди r=0,017×10-6 Ом×м. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико. Например, для диэлектрика полиэтилена
r = 1015 Ом×м, а для полупроводника кремния r = 2×103 Ом×м.
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.
Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэтому число ковалентных связей атома определяется его валентностью.
Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных энергетических уровней атома.
В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уровней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.
Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны атомов данного вещества. Поскольку ширина разрешенных зон в твердом теле не превосходит несколько электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см3 достигает 1022, разность между уровнями составляет 10-22 эВ. Таким образом, в пределах разрешенной зоны получается практически непрерывный спектр энергетических уровней.
Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры все энергетические уровни заняты, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0° К электроны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).
Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны DW £ 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при DW > 3 эВ - к диэлектрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.
В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий (DW = 0,67 эВ) и
кремний (DW =1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодической системы. На плоскости кристаллическую решетку этих элементов изображают так, как показано на рисунке 1.2, а. Здесь