Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Теория машин и механизмов Математический анализ Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Электротехника и электроника Закон Ома Второй закон Кирхгоф Расчет смешанной цепи с одной э.д.с. Векторная диаграмма Соединение фаз звездой Соединение фаз треугольником Асинхронный электродвигатель Полупроводниковые диоды

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Полупроводники

Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge кремний Si, а также арсенид галлия GaAs Атомы в решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной.

При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда – свободного электрона и незаполненной дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных заряда. этот рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число существенно увеличивается. введении кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре его вступают с четырьмя соседними электронами кремния образуют устойчивую оболочку восьми электронов.

Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников

Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.

Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, дырки связаны. Если в кремний введен трехвалентного элемента (например, бора В), то все три валентных электрона вступают связь четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная – дырка. такого акцепторной, -дырочными р-типа Дырки них Носители зарядов, преобладающие данном полупроводнике называются основными. п-типа основные носители электроны, дырки. дырки, - (рис.6.1. а, б).

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен две области: левая область р-дырочная, а правая п-область-электронная.

Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны п р, тоже носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, с левой стороны образуется положительный из-за электронов.

Рис. 6.2. Условное изображение p - n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)

Образование пространственных зарядов в р-п переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход стремится вернуть дырки электроны свои области. Поэтому центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей поэтому большим сопротивлением. Этот называется запирающим т.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области переносит их соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия диффузионный токи равны противоположны. Общий ток равен нулю.

Если к пластине полупроводника с р-п переходом подключить источник постоянного тока напряжением V плюсом p - области, а минусом n-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое поле Еnр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее Ер р-п. переходе будет меньше поля понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включение перехода называется прямым включением, внешнее напряжение такой полярности Unp . Так как диффузионный стал больше дрейфового тока, то через переход, следовательно, пластину начнет проходить прямой Inр. прямое плавно увеличивать, Iпр расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс инжекцией.

Если к р-п переходу приложить напряжение обратной полярности (рис. 6.2в), то в полупроводнике возникнет электрическое поле Еобр, совпадающее по направлению с полем Ек, и результирующее Ер станет больше поля Ек. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включение перехода называется обратным включением, а внешнее напряжением Uобр. Ток, обусловленный преимущественно неосновными носителями зарядов, током Iобр. Вольт- амперная характеристика 6.3а). Основные свойства - зависимость его сопротивления от приложенного напряжения. При прямом включении оно мало, при обратном велико, таким образом переход обладает односторонней проводимостью.

 При расчетах электрических цепей положительные направления токов в элементах цепи в общем случае заранее неизвестны. Поэтому одно из двух воз­можных направлений принимается за положительное и указывается на схеме стрелкой. Это направление выбирают произвольно. Условное положительное направление напряжения на схеме электрической цепи также выбирается произ­вольно и указывается стрелкой. Между зажимами потребителей электрической энергии положительные направления тока и напряжения, как правило, выбира­ются одинаковыми.
Активная мощность трехфазной системы