Основы электроники. Раздел 1. Основные понятия

Электроника
Электроника – область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых приборах, электрические характеристики этих приборов, а также свойства устройств и систем с их использованием

1.1. Атомное строение полупроводников
Полупроводники – элементы IV группы таблицы Менделеева (кремний, германий, селен) – имеют 4 валентных электрона на внешней орбите. 4 валентных электрона могут образовать 4 ковалентных пары с атомами соседних атомов
Ядро атома
Валентные электроны

1.1. Атомное строение полупроводников
Решетка кристалла кремния

1.1. Атомное строение полупроводников
Если сообщить веществу энергию, слабо связанные с ядром электроны могут покинуть атом. Атом станет положительно заряжен и сможет принять электрон извне. «Вакантное» место для электрона называют ДЫРКОЙ

1.1. Атомное строение полупроводников
Рекомбинация носителей

1.1. Атомное строение полупроводников
В равновесном состоянии электроны хаотично перемещаются, постоянно образуя дырки и рекомбинируя.
При появлении внешнего поля электроны начинают двигаться в одном направлении. При этом дырки «перемещаются» в противоположном.
Такая проводимость называется собственной. Она сильно зависит от температуры. Она очень мала (чуть больше, чем у диэлектрика)
Для увеличения проводимости вводят примесь

1.1. Атомное строение полупроводников
Донорная примесь (n-типа). Примесь – элемент с 5 валентными электронами (As)

1.1. Атомное строение полупроводников
Акцепторная примесь (р-типа). Примесь – элемент с 3 валентными электронами (In)

1.1. Атомное строение полупроводников
При добавлении любой примеси полупроводник остается электрически нейтральным.
При добавлении донорной примеси возникают свободные электроны, легко перемещаемые при возникновении электрического поля. Основной носитель заряда – электрон.
При добавлении акцепторной примеси возникает избыток мест, чтобы принять внешние электроны. Основной носитель заряда - дырка

1.1. Атомное строение полупроводников
Полупроводники с разным типом проводимости

1.2. р-n переход
p-n переход – область на границе соприкосновения полупроводников р и n типа

1.2. р-n переход
Электроны из полупроводника n-типа попадают в полупроводник р-типа и рекомбинируют там (диффузионный ток Iдифф )
При рекомбинации атом в р-полупроводнике получает отрицательный заряд (образуется отрицательный ион), а атом в n-полупроводнике – положительный.
Ионы формируют электрическое поле, препятствующее дальнейшему перемещению электронов в р-полупроводник (это эквивалентно появлению встречного тока, называемого током дрейфа Iдр). В равновесии Iдифф = Iдр.

1.2. р-n переход
Возникает запирающий слой, лишенный носителей заряда.
Электрон не может пройти через запирающий слой, дырка – может (перемещение неосновных зарядов вызывает ток дрейфа)
Ток дрейфа не зависит от внешнего поля, т.к. для дырок потенциальный барьер ничего не запирает. Следовательно, мы не можем управлять током дрейфа.
Мы можем управлять только диффузионным током, изменяя электрическое поле в зоне перехода (уменьшая или увеличивая потенциальный барьер)

1.2. р-n переход
Прямое включение: внешнее поле уменьшает потенциальный барьер

1.2. р-n переход
Чем больше приложенная ЭДС, тем меньше ионов в зоне перехода, тем меньше потенциальный барьер и выше диффузионный ток
Когда приложенное поле превысит величину потенциального барьера, в зоне перехода не останется ионов, и ток может течь через р-n переход

1.2. р-n переход
ВАХ р-n перехода при прямом включении
φ – потенциал запирающего слоя,
Iт числено равен току дрейфа

1.2. р-n переход
Обратное включение

1.2. р-n переход
ВАХ р-n перехода при обратном включении
при обратном включении диффузионный ток снижается до нуля;
ток дрейфа не изменяется, что обуславливает наличие малого тока при практически любом напряжении

1.2. р-n переход
Отличие идеального и реального р-n переходов
1. У перехода существует омическое сопротивление (сопротивление базы rб), есть падение напряжения на нем
2. Нельзя сделать идеально гладкую границу между полупроводниками

1.2. р-n переход
3. Есть ограничения на обратное напряжение – возможен электрический пробой
Зона 1 - 2: переход закрыт
Зона 2 - 3: туннельный пробой
Зона 3 – 4: лавинный пробой
После 4 – тепловой пробой
Туннельный и лавинный пробои обратимы.

1.3. Полупроводниковый диод
Диод – полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя выводами.
По назначению диоды разделяют на:
выпрямительные;
высокочастотные и импульсные;
стабилитроны;
варикапы.

Выпрямительные диоды
Основные параметры:
максимальный прямой ток;
максимальное обратное напряжение (находится в пределах до нескольких сотен вольт);
среднее прямое напряжение при среднем значении прямого тока (находится в пределах 1 – 1,5 В);
средний обратный ток при обратном максимальном напряжении (находится в пределах от единиц до десятков микроампер).
Графическое обозначение

Стабилитроны
Стабилитрон работает на обратном участке ВАХ p-n перехода в области обратимого пробоя и используется для стабилизации напряжения.
Основные параметры:
напряжение на участке стабилизации;
динамическое сопротивление на участке стабилизации;
максимальный и минимальный ток стабилизации