Основы электроники и микроэлектроники

Полупроводники – вещества, электрическая проводимость которых занимает промежуточное место между проводимостью металлов и диэлектриков. Полупроводник – это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры и освещенности возрастает.

Схема связи примесей с германием а) пятивалентной (донорной) б) трехвалентной (акцепторной)

Термоэлектронная эмиссия В вакуум вносят металлическую спираль, покрытую оксидом металла, нагревают её электрическим током (цепь накала) и с поверхности спирали испаряются электроны, движением которых можно управлять при помощи электрического поля.

Собственная проводимость полупро- водников Собственная проводимость – проводимость идеальных чистых полупроводников (без примесей) Делится на электронную и дырочную. Электронная проводимость обусловлена наличием свободных электронов Дырочная проводимость обусловлена наличием дырок

Собственная проводимость полупро- водников Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока – электронов (на уровне вблизи дна зоны); одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях, в результате чего появляются дырки.

Примесная проводимость полупро- водников. Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей

Примесная проводимость полупро- водников Донорные примеси При наличии примесей концентрация свободных электронов значительно возрастает и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны, называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки не основными

Примесная проводимость полупро- водников Акцепторные примеси Для образования нормальных парно-электронных связей с соседями атому, например, индия не достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками р-типа

Примесные уровни Полупроводники n-типаПолупроводники p-типа

p-n- ПЕРЕХОД СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ p-n-ПЕРЕХОДА. Это переходная область между полупроводниковыми материалами p-типа и n-типа. Кружками со знаками изображены подвижные носители заряда: электроны (-) и дырки (+), а квадратами – неподвижные ионы в области перехода.

Полупроводниковые приборы Светодиод, или светоизлучающий диод (СИД) полупроводниковое устройство, излучающее некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в СИД полупроводника. Как и в нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда электроны и дырки рекомбинируют с излучением фотонов. На самом деле, любой кремниевый или германиевый диод испускает фотоны, но правильный выбор материалов и технологии позволяет минимизировать потери энергии.

Полупроводниковые приборы Конструкция германиевого диода: а - точечного, б - плоскостного; 1 - изолятор, 2 - корпус, 3 - вывод анода, 4 - припой, 5 - кристалл, 6 - кристаллодержатель, 7 - внешние выводы.

Транзистор Транзистор трёхполюсный полупроводниковый электронный прибор, изменяющий своё сопротивление при приложении напряжения на управляющий электрод, что позволяет управлять мощной цепью слабым сигналом. Благодаря этому свойству, транзистор применяется для усиления, коммутации и преобразования электрических сигналов. Транзисторы основа всех современных электронных устройств, они применяются практически во всех современных бытовых приборах. Сейчас большая часть транзисторов используется в составе интегральных микросхем. Интегральная микросхема может содержать миллионы транзисторов на одном кристалле полупроводника (в основном кремния).

Транзистор с p-n-p переходом ТРАНЗИСТОР С ПЕРЕХОДОМ типа n-p-n или p-n-p. Показаны эмиттер, коллектор и база. Транзисторы такого типа применяются в качестве усилителей.

Точечный транзистор Две заостренные проволочки прижаты к полупроводниковому кристаллу n-типа (германий), припаянному к металлическому кристаллодержателю. 1 – латунный или иной кристаллодержатель; 2 – области p-типа; 3 – припой или золотой сплав (контакт базы); 4 – кристалл n-типа; 5 – эмиттерный точечный контакт (бериллиевая бронза); 6 – коллекторный точечный контакт (фосфористая бронза); 7 – область n-типа.

Сплавной плоскостной транзистор типа pnp Представляет собой электронный ключ, который открывается и закрывается при изменении направления смещения. Разные варианты такого устройства применяются в компьютерах, телефонном оборудовании и радиоприемниках.

Тиристоры

Тепловые сопротивления (термисторы) Применение в качестве чувствительных термометров при дистанционных измерениях Использование в качестве термометров для замера температур окружающей среды

Термисторы: широкое применение в технике применяют как регуляторы температуры контролирование температуры в большом числе точек в приборах для измерения утечки газа для дистанционного измерения влажности для измерения высоких давлений, механических напряжений, скорости или количества протекающих жидкости, скорости движения

Фоторезистор Использование: 1. Регистрация и изменения слабых световых потоков 2. Обнаружение инфракрасных лучей 3. В автоматических устройствах, служащих для подсчета изделий движущихся на конвейере, контроля их размеров Например, турникет в метро работает именно по такому принципу.

Фотоэлемент При освещении некоторых веществ светом в них появляется ток, световая энергия превращается в электрическую. В данном приборе заряды разделяются под действием света. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи. Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Солнечная энергия

Электрический ток в газах Зарядим конденсатор и подключим его обкладки к электрометру. Заряд на пластинах конденсатора держится сколь угодно долго, не наблюдается перехода заряда с одной пластины конденсатора на другую. Следовательно воздух между пластинами конденсатора не проводит ток. В обычных условиях отсутствует проводимость электрического тока любыми газами. Нагреем теперь воздух в промежутке между пластинами конденсатора, внеся в него зажженную горелку. Электрометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре часть нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа.

Прохождение электрического тока через газ называется разрядом. Разряд, существующий при действии внешнего ионизатора, - несамостоятельный. Если действие внешнего ионизатора продолжается, то через определенное время в газе устанавливается внутренняя ионизация (ионизация электронным ударом) и разряд становится самостоятельным.

Искровой разряд При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Электрическая дуга (дуговой разряд) В 1802 году русский физик В.В. Петров ( ) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Электрический ток в полупроводниках При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. Полупроводники - твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения).

XX и XXI век характеризуется развитием полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Это привело к изменению мировой экономики, основанной на новых информационных технологиях технологиях.