Физические основы электроники - Курс лекций

ТЕМА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 1.1 Строение твердых тел 1.2 Энергетические уровни и зоны 1.3 Собственная проводимость полупроводников 1.4 Глубокие уровни 1.5 Примесные полупроводники 1.6 Оптические и электрические свойства полупроводников 1.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации 1.8 Твист-эффект Контрольные вопросы к теме 1 ТЕМА 2. Применение сверхпроводимости 3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты Контрольные вопросы к теме 3 ТЕМА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ 4.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия 4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях Контрольные вопросы к теме 4 ТЕМА 5. Уровень Ферми в ПП. Зависимость уровня Ферми от температуры, степени концентрации примеси 5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе 5.3 Прямо смещенный p-n-переход 5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель 5.5 Эффект поля ЛИТЕРАТУРА ВВЕДЕНИЕ Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. Тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается, благодаря развитию интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск высококачественных, дешевых, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения. Эффективное применение ИМС невозможна без знания принципов их действия и основных параметров. Виды связей Все вещества - газообразные, жидкие и твердые - состоят из атомов и молекул. Способность атомов вступать в соединение с атомами других элементов и образовывать молекулы, обусловлены внешними валентными электронами. Существующие виды связей: а) ковалентная связь (рисунок 1.1) характеризуется образованием устойчивых электронных пар электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам. Рисунок 1.1 - Молекулы с ковалентной связью Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (H2, N2, Cl2), то электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, такую молекулу называют неполярной или нейтральной, у них центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, то электронная пара может быть смещена к одному из атомов. Материалы с ковалентными связями характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью (Кремний). б) ионная связь - вызывается силами электрического притяжения между положительными и отрицательными ионами. К ним относятся ряд металлов и типичные металлы. Атом, отдавший внешний электрон, превращается в положительный ион, или вновь присоединяется, превращаясь в нейтральный атом. Т.е. металл можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов. 2. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефект по Френкелю). Примесные атомы (рисунок 1.4, в) могут располагаться либо в междоузлиях решетки (примесь внедрения - 1), либо в самих узлах - вместо основных атомов (примесь замещения - 2). Равновесие восстанавливается разными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т.е. структура элементарных ячеек кристалла; может произойти захват - адсорбция - чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т.п. Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, нижняя - валентной зоной. Первый случай свойствен металлам, второй - полупроводникам и диэлектрикам. Когда энергия электрона увеличивается, электрон занимает более высокое положение в зонной диаграмме. Если же говорить об увеличении энергии дырки, то это будет соответствовать, очевидно, продвижению дырки вглубь валентной зоны. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры: (1.2) где - ширина зоны при Т=0; Т - абсолютная температура; - температурная чувствительность. При внесении в предварительно очищенный кремний, германий примеси пятивалентного элемента - донора (фосфор Р, сурьма Sb, мышьяк As) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 1.13, а). Рисунок 1.13 - Структура и зонная диаграмма полупроводника с донорной примесью Количество электронов NД, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня WД, значительно превышает количество электронов ni переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон - дырка. Отмечается fкр и Ткр происходит этот переход от электрического к тепловому и зависят от диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения U, скважности импульсов. При больших Е и воздушных порах возникает ионизация воздуха, образуется озон, ускоряются ионы, что приводит к выделению тепла, что снижает Епр. 2 Сильная зав