Главная страница
Навигация по странице:

  • Классификация электронных приборов.

  • По функциональному назначению

  • Этапы развития электроники.

  • Классификация веществ в зависимости от структурных особенностей твердых тел.

  • Межатомные связи.

  • При ионной

  • Физические основы электронной техники.

  • 

  • Классификация твердых тел по степени электропроводности.

  • Запрещенная зона

  • Электронная и дырочная проводимости в полупроводниках.

  • Полупроводники и их свойства.

  • Электроника. Лекционный курс


    Скачать 12.8 Mb.
    НазваниеЭлектроника. Лекционный курс
    АнкорElektronika_lekts__33__2012.doc
    Дата04.06.2017
    Размер12.8 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаElektronika_lekts__33__2012.doc
    ТипЗадача
    #7419
    страница1 из 13
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


    Электроника.

    Лекционный курс.
    Введение.
    Темпы развития многих областей науки и техники в значительной степени связаны с развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства автоматики, вычислительной или измерительной техники.

    В каждой из многочисленных отраслей современной техники электроника дает толчок качественно новому этапу развития, производит подлинную техническую революцию.

    Электроника как наука (принято называть физической электроникой) занимается изучением электронных явлений и процессов, связанных с изменением концентрации и перемещением заряженных частиц в различных средах (в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах) под воздействием различных условий (температура, давление, электрические и магнитные поля, излучения различного вида, в т. ч. и световые).

    Задача электроники как отрасли техники (техническая электроника) – разработка, производство и эксплуатация электронных приборов, устройств и систем самого различного назначения.

    Эффективность электронной техники обусловлена высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов, важнейшими из которых являются электронные приборы.

    С помощью электронных приборов удается преобразовывать неэлектрические виды энергий в электрическую и наоборот.

    Исключительно велика роль электроники при создании средств вычислительной техники, в том числе высоко-эффективных электронных вычислительных машин (ЭВМ) и персональных компьютеров (ПК).
    Классификация электронных приборов.
    Электронные прибор, составляющие основу электроники, можно классифицировать по двум признакам:

    - по принципу работы;

    - по функциональному назначению.

    По принципу работы электронные приборы могут быть разделены на четыре класса:

    1. Электронные приборы – поток электронов движется между электродами, находящимися в высоком вакууме, т.е. в среде столь разряженного газа, что движущиеся электроны не испытывают столкновений с частицами газа.

    2. Газоразрядные приборы – движение электронов в межэлектродном пространстве происходит в условиях столкновения их с частицами газа (с молекулами и атомами), что при определенных условиях приводит к ионизации газа, резко изменяющего свойства прибора. Такие приборы называются ионными.

    3. Электрохимические приборы – принцип действия основан на явлениях, связанных с происхождением электрического тока в жидких телах с ионной проводимостью. Такие приборы работают на основе явлений, изучаемых электрохимией и электроникой – хемотроникой.

    4. Полупроводниковые приборы– принцип действия основан на электронных явлениях в веществах, имеющих кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Связанные между собой атомы располагаются строго определенным способом, что образует кристаллическую решетку твердого тела.

    По функциональному назначению электронные приборы могут быть разделены на три группы:

    1. Электропреобразовательные – это приборы, в которых электрическая энергия одного вида (например, постоянного тока) преобразуется в электрическую энергию другого вида (например, переменного тока различной формы). К ним относятся выпрямительные, усилительные, переключающие, стабилизирующие приборы и т.п.

    2. Электроосветительные– это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения. К ним можно отвести электронносветовые индикаторы, ЭЛТ, знаковые индикаторы, лазеры, в т.ч. светоизлучающие диоды и т.д.

    3. Фотоэлектрические – это приборы, в которых энергия светового излучения преобразуется в электрическую энергию. Это фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, видеокамеры и т.п.

    Общим для всех электронных приборов является то, что в них осуществляется преобразование энергий различных видов, поэтому приборы, имеющие существенные отличия в принципе действия, применяются по одному и тому же функциональному назначению, т.е. для одной и той же цели и обладают близкими свойствами.
    Этапы развития электроники.

    (Краткая историческая справка).
    1. 1904 – 1950 г.г.дискретная электроника на электровакуумных лампах, начало относится к 1883 г. (Открытие Т. А. Эдисоном термоэлектронной эмиссии). В 1904 г. Флеминг создал первый ламповый детектор – первая электронная лампа. В 1907 г. Форест Ли ввел в лампу Флеминга управляющий электрод-сетку, что позволило создать электровакуумный триод, способный генерировать и усиливать электрические сигналы.

    Изобретение в 1895 радиоприемника (Попов, Маркони) в значительной степени стимулировало создание приемно–усилительных электронных ламп с улучшенными характеристиками.

    2. 1950 – 1960 г.г.дискретная электроника на полупроводниковых приборах. Начало относится к 1947 г. (создание действующей модели биполярного транзистора – Шокли, Бардин, Браттейн). 1956 г. – нобелевская премия за биполярный транзистор. 1951 г. – промышленный выпуск биполярных транзисторов.

    3. 1960 – 1980 г.г. – промышленный выпуск первых интегральных микросхем (ИМС) с малой степенью интеграции. 1962 г. – цифровые ИМС по технологии МОП. 1969 г. – ИМС с большой степенью интеграции (БИС). 1971 г. – разработка первых микропроцессоров. 1975 г. – разработка СБИС с числом логических ключей более 10000 и освоение промышленного выпуска.

    4. 1980 г. – по настоящее время – устройства функциональной электроники – в основе работы акустооптические явления в полупроводниках, голография, системы на кристалле.
    Классификация веществ в зависимости от структурных особенностей твердых тел.
    Принято различать твердые вещества: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.

    Аморфные – вещества, которые не имеют какой-либо определенной (упорядоченной) внутренней структуры расположения атомов.

    Поликристаллические вещества – состоят из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольная.

    Монокристаллические вещества – в них атомы пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

    Полупроводниковые устройства и интегральные схемы выполняют из монокристаллов, среди которых наибольшее значение имеют монокристаллы кремния (Si).
    Межатомные связи.

    Их виды и характеристики.
    Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. Межатомная связь возникает благодаря тому, что атомы в веществе расположены близко друг к другу и влияют друг на друга.

    По степени взаимного влияния атомов различают три вида межатомных связей: ионная, металлическая и ковалентная (парноэлектронная).

    При ионной связи электроны перемещаются от одних атомов к другим. Как следствие, в структуре возникают ионы.

    При металлической связи кристаллическая решетка из положительно заряженных ионов окружена «электронным газом».

    При ковалентной связи внешние электроны, так называемые валентные, становятся общими для ближайших соседних атомов.

    В твердых телах с ковалентной связью образуются различные кристаллические решетки, вид которых определяется узлами между направлениями различных ковалентных связей.

    Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов нет. При температуре абсолютного нуля (-273˚С) полупроводники, состоящие из таких кристаллов, обладают свойствами идеальных изоляторов.

    Физические основы электронной техники.

    Элементы квантовой теории строения материи.
    То, что атом является первокирпичиком материи, догадывались еще мудрецы древности. Именно свойства атомов определяют свойства веществ. Однако, как устроен атом, начало проясняться постепенно, начиная с конца 19 века. Долгое время считалось, что плотность распределения энергии излучения тел по длинам волн представляет непрерывную функцию. И аналитические выражения, описываемые формулами Рэлея-Джинса, вроде бы это подтверждали. Однако при проведении экспериментов с определением энергии излучения абсолютно черного тела выяснилось, что эти формулы удовлетворительно согласуются лишь при достаточно больших длинах волн и резко расходятся с опытом для малых длин волн, хотя с классической точки зрения формулы были безупречны.


    Это расхождение (результат) получило название ультрафиолетовой катастрофы, что указывало на существование закономерностей, несовместимых с представлениями классической физики.

    В 1900 году Планку удалось найти вид функции, в точности соответствующей опытным данным. Для этого ему необходимо было сделать предположение, не укладывающееся в рамки классических представлений. Он выдвинул гипотезу, в соответствии с которой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии, величина которых пропорциональна частоте излучения.

    Эти порции энергии получили название квантов, а коэффициент пропорциональности h был впоследствии назван постоянной Планка (h=6,62*Дж*с).

    Если излучение испускается порциями, то его энергия должна быть кратна этой величине:

    , где n=0, 1, 2, …

    Проводя опыты по рассеянию α-частиц, Резерфорд в 1911 году предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Z*e, имеющее размеры не более см, а вокруг ядра расположены Z электронов, распределенных по всему объему атома. Атом электронейтрален.

    Однако ядерная модель атома оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам. Но в этом случае электроны будут двигаться с ускорением и согласно классической электродинамике должны непрерывно излучать электромагнитные волны и терять энергию, что должно привести к нарушению равновесия центробежных и центростремительных сил и падению электронов на ядро.

    Однако этого не происходит, что подтверждается наличием атомных оптических спектров, имеющих линейчатую структуру, которым соответствуют определенные дискретные значения частот.

    Выяснилось, что классическая механика и электродинамика неспособны объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра.

    Выход из тупика был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, ценой введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Допущения Бора представляют два его постулата.

    Постулаты Бора.

    1. Из бесконечного множества электронных орбит, которые возможны с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности, только некоторые дискретные (стационарные) орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. На таких орбитах электроны не излучают электромагнитной энергии, несмотря на движение с ускорением. Для этого необходимо, чтобы момент импульса электрона был равен целому кратному постоянной Планка.



    (n=1, 2, 3, …)

    1. Возможность излучения или поглощения кванта энергии появляется у электрона только при переходе из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, поэтому

     - разность энергий стационарных уровней, между которыми совершается квантовый скачок.

    Несмотря на блестящее экспериментальное подтверждение постулатов Бора, его теория не была последовательно квантовой теорией и не учитывала волновых свойств вещества.

    В 1924 году Луи де-Бройль выдвинул смелую гипотезу, что корпускулярно-волновые свойства (дуализм) присущи не только оптическим явлениям, но и движущимся частицам вещества. Поэтому электрон обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами: при движении по замкнутой орбите электрон не излучает электромагнитной энергии, если вдоль орбиты укладывается целое число длин волн (стоячая волна).

    прямоугольник 95;  ;  , n - целое

    Принцип Паули. В соответствии с этим принципом распределение электронов по энергетическим уровням происходит так, что электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, поэтому все внутренние орбиты оказываются полностью заполненными. Частично может быть заполнена только внешняя орбита (которая определяет оптические и химические свойства атома).

    Принцип запрета Паули гласит, что на каждом энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов (с различными спинами).

    Классификация твердых тел по степени электропроводности.

    Картина энергетических зон в твердом теле.
    Если рассматривать структуру атомов различных элементов, то можно выделить оболочки, которые полностью заполнены электронами (внутренние), и не полностью заполненные (внешние). Последние слабее связаны с ядром, и легче вступают во взаимодействие с другими атомами. Электроны на внешней оболочке называют валентными.

    Чем ближе расположены атомы в веществах друг к другу, тем сильнее взаимодействие валентных электронов и влияние на валентные электроны ядер соседних атомов. В результате чего каждый отдельный разрешенный энергетический уровень расщепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг к другу. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Промежутки между разрешенными зонами носят название запрещенных зон.

    В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три вида зон:

    1) разрешенные (полностью заполненные) зоны;

    2) запрещенные зоны;

    3) зоны проводимости.

    Разрешенная зона характеризуется тем, что все уровни ее при температуре 0К заполнены электронами. Верхнюю заполненную часть разрешенной зоны называют валентной.

    Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны.

    Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела (например, под действием электрических полей) (свободные электроны).

    Рассмотрим формирование энергетических зон в веществе в зависимости от расстояния между атомами.



    В сечении d1 энергетические диаграммы для двух уровней атомов имеют одинаковый вид. По мере уменьшения расстояния между атомами будет происходить расщепление энергетических уровней W1 и W2 на два уровня в соответствии с принципом Паули. (W1 на уровни 1 и 2, W2 – на уровни 3 и 4).

    Если вместо 2-х атомов взять их огромное число, например , то каждый из 2-х энергетических уровней расщепиться на  дискретных энергетических уровней, каждый из которых расположится в зонах между уровнями 1,2 и 3,4. Хотя эти образовавшиеся уровни и дискретны, но разница энергий между ними будет очень мала, поэтому в целом спектр этих энергий можно считать квазинепрерывным. Значения же энергий, принадлежащих запрещенным зонам, не могут реализовываться. Из рисунка видно, что в сечениях d1 и d2 между разрешенными зонами, имеются запрещенные зоны. (в d1-зона ∆W21, в d2 - зона ∆W23 ).

    Очевидно, что ∆W21>∆W23.

    В сечение же d3 не только не существует запрещенной зоны, более того разрешенные зоны перекрывают друг друга. Число уровней в такой слившейся зоне равно сумме количеств уровней, на которые расщепляются оба уровня атома.

    В соответствии с рисунком, в зависимости от ширины запрещенной зоны можно построить энергетические диаграммы для трех типов веществ.

    Диэлектрики Полупроводники Металлы



    У металлов валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому у них нет запрещенной зоны.

    Различия между диэлектриками и полупроводниками чисто количественные – в ширине запрещенной зоны.
    Электронная и дырочная проводимости в полупроводниках.
    В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от нуля, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводники – электропроводными.

    Уход электрона из валентной зоны, приводит к освобождению какого-либо валентного электрона из атома полупроводника, в результате чего в системе ковалентных связей возникает пустое место.



    Вакантное энергетическое состояние называется дыркой.

    Высвобожденный электрон может перемещаться по кристаллической решетке, создавая ток проводимости – электронный ток.

    Если этот или другой электрон присоединится к валентным электронам соседнего атома, то местоположение отсутствующего электрона перемещается в пространстве от одного атома к другому. Перемещение избыточных электронов по кристаллической решетке сопровождается перемещением соответствующих вакансий.

    Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов-дырок, создающих дырочный ток. Дырочную проводимость не следует путать с ионной проводимостью. При дырочной проводимости в действительности движутся тоже электроны, но их движение пространственно ограниченно.

    Таким образом, электрический ток в полупроводнике одновременно создается движением электронов и дырок, создавая электронную и дырочную проводимость.
    У абсолютно чистого и однородного полупроводников свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е.:

     , где  – количество электронов и дырок в собственном (i-ом) полупроводнике.

    Электропроводность такого полупроводника, который называется собственным, обусловлена парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

    Процесс образования пары носителей называется генерацией пары. Если эта генерация происходит под действием температуры – то это термогенерация, под действием света – фотогенерация.

    Образовавшиеся электрон и дырка совершают хаотическое движение, пока электрон не будет захвачен дыркой. Этот процесс восстановления разорванных валентных связей называется рекомбинацией.

    Промежуток времени с момента генерации носителя до его рекомбинации называется временем жизни, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жизни диффузионной длиной.

    При неизменных температуре и ширине запрещенной зоны как для собственных полупроводников, так и для примесных выполняется условие:



    Это условие называется уравнением полупроводника.

    Полупроводники и их свойства.
    Принципиальными отличиями проводимости полупроводников от проводимости проводников являются:

      1. уменьшение сопротивления полупроводников при повышении температуры, что объясняется образованием дополнительных пар носителей электрических зарядов;

      2. сильное влияние ничтожных количеств примеси в полупроводнике на его проводимость (20 мкг примеси на 1 кг расплава Si увеличивает проводимость более чем в  раз);

      3. способность полупроводников изменять свою электропроводность в широких пределах (-раз) в результате внешних воздействий (освещение, электрические и магнитные поля, температура и т.д.).

    К полупроводникам относят материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление от  до  Ом/ (объемное сопротивление). Количество полупроводников превышает количество металлов и диэлектриков.





    Температурная зависимость сопротивлений проводника и полупроводника.
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
    написать администратору сайта