Лекции по твердотельной электронике
Методическое пособие - Радиоэлектроника
Другие методички по предмету Радиоэлектроника
Московский энергетический институт
(технический университет)
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций
Москва, 2002 г.
Содержание
Лекция 14
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ4
1.1. Электропроводность полупроводников4
Лекция 29
1.2. Электроны в кристалле9
1.2.1. Энергетические зоны. Свободные носители зарядов: электроны и дырки.9
1.2.3. Легирование кристаллов донорной или акцепторной примесью, полупроводники "n" и "p" типа .22
Лекция 327
1.2.4. Расчет концентрации носителей заряда в кристалле.27
Лекция 439
1.2.5. Зависимость скорости электрона от напряженности электрического поля. Понятия эффективной массы и подвижности.39
1.2.6. Расчет электропроводности полупроводниковых кристаллов на основе рассмотренных моделей.47
Лекция 555
1.2.7. Неравновесные электроны и дырки. Рекомбинация неравновесных носителей заряда.55
Диффузионный и дрейфовый токи.58
1.2.8. Уравнение непрерывности.60
ВВЕДЕНИЕ
Современная научно-техническая революция и переход от индустриального к информационному обществу в значительной степени обусловлены повышением производительности интеллектуального труда за счет информационных технологий, материальную основу которых составляют твердотельные полупроводниковые приборы и устройства на их основе. Полупроводниковые приборы широко используются и в силовой электронике предоставляя эффективные способы преобразования и генерации электроэнергетических потоков. Поэтому курс полупроводниковой электроники стал одним из базовых курсов практически для всех специальностей электротехнического профиля и начинает изучаться сравнительно рано - на втором курсе. При этом имеется тенденция к его дальнейшему "омоложению" - к более раннему изучению разделов, связанных непосредственно с физикой электронных процессов в твердом теле, что предъявляет особые требования к доступности изложения сравнительно сложных электронных взаимодействий, позволяющих осуществлять управление электронными потоками в твердых телах и создавать современные устройства информационной и силовой электроники.
Основное содержание дисциплины составляет изучение принципов работы и характеристик основных приборов, являющихся базовыми для любых полупроводниковых приборов. Поскольку курс предназначен для подготовки инженеров, рассмотрение любых процессов в приборе, заканчивается составлением некоторой модели и выводом расчетных соотношений. Безусловно использованные модели являются упрощенными, однако тем не менее они позволяют связать параметры материалов и конструкции прибора с его характеристиками и позволяют оценить реакцию прибора на то или иное воздействие окружающей среды и, что особенно важно, способствуют установлению связи между разрозненными процессами и их свойствами и созданию некоторого обобщенного образа твердотельной электронной среды и сформированных на ее основе устройств. Именно последнее является наиболее важной и наиболее трудной задачей курса достижению которой способствует лабораторный практикум и расчетный проект.
Лекция 1
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Электропроводность полупроводников
По способности проводить электрический ток все твердотельные материалы принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики или изоляторы. К группе проводников относят материалы с проводимостью ? > 106 Ом-1см-1, к ним относятся металлы, в которых высокая проводимость обеспечивается высокой концентрацией электронов проводимости. Напротив в диэлектриках, как правило при комнатной температуре электронов очень мало и их проводимость, в основном носит ионный характер, поэтому она мала ? < 10-10 Ом-1см-1. В промежуточную группу попадают полупроводники, которые в зависимости от их состава и концентрации примесей могут иметь концентрацию электронов близкую к нулю (тогда они являются изоляторами) и близкую к концентрации электронов в металле (тогда они являются проводниками). Возможность изменять в широких пределах электропроводность не только технологическими методами, но и используя внешние воздействия, позволила создать на основе полупроводников твердотельные электронные приборы. Именно изучение этих приборов и используемых в них методов управления электронными потоками и составляет основное содержание данного курса.
Металлы и полупроводники помимо величины электропроводности отличаются так же и зависимостью электропроводности от температуры. В металлах электропроводность с температурой, как правило, падает почти по линейному закону .
, (1.1)
где T и T0 температуры измерения (T > T0), ? температурный коэффициент.
В полупроводниках, в которых отсутствуют дефекты и примеси (их принято называть собственными) с ростом температуры проводимость растет примерно по экспоненциальному закону: