КАФЕДРА
|
|
Скачати 160.99 Kb.
|
|
ДЕРЖАВНИЙ KOMITET ЗВ'ЯЗКУ ТА ІФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій КАФЕДРА Технічної електроніки ЗАТВЕРДЖУЮ Завідуючий кафедрою ___Р. В, Уваров_____ (підпис, прізвище) ”____”________ 2004 року Тільки для викладачів ЛЕКЦІЯ № 7 3 навчальної дисципліни_______„Хімія та електроматеріали"________________________ Напряму підготовки__________Телекомунікації, радіотехніка_______________________ Освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр _________________________ Спеціальності Телекомунікаційні системи та мережі, інформаційні мережі зв’язку, поштовий зв’язок__________________________________________________________ Тема_____________Резистори ____________________________ (повна назва лекції) ________________________________ _ Лекція розроблена ___________________________ ст.викл. Латиповим І.М._______________________________ (вчена ступінь, вчена ступінь та звання, прізвище та ініціали автора) О  бговорено на засіданні кафедри (ПМК)Протокол № ”____”_________________2004 року Київ 2004 Навчальні цілі: Вивчити властивості напівпровідників, класифікацію, механізм провідності, види напівпровідників та їх використання Виховні цілі: використовувати частково-пошуковий метод навчання, шляхом активізації самостійності мислення та дії Час: 2 год. ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ Введення звернути увагу на переваги напівпровідника на прикладах технічного рівня сучасної РЕА та мікроелектроніки _____________________________________ - хвилин Навчальні питання
Заключення Виділити специфічні властивості напівпровідника та основні області їх використання __________________________________________________________________- хвилин ЛІТЕРАТУРА: (рекомендована для студентів)
НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ (наочні посібники, схеми, таблиці, ТЗН та інше) Плакат – електрофізичні властивості напівпровідника (Петля гістерезиса) Напівпровідникові матеріали 1.Класифікація напівпровідникових матеріалів та їх властивості. До напівпровідників відносяться речовини, які за електричними властивостями займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників σ = 102...10-8 См/м (у діелектриків σ < 10-12 См/м, у металів σ = 103...104 См/м). Другою характерною прикметою напівпровідників є сильна залежність їх електропровідності від температури, концентрації домішок, від впливу світлового та іонізуючого випромінювання, а також від інших енергетичних впливів. Відзначні ознаки напівпровідників порівняно з провідниками і діелектриками зумовлені відмінністю в механізмі їх електричної провідності.
 
 
  Рис.1. Класифікація напівпровідникових матеріалів Відомо, що електропровідність металів, які є добрими провідниками електричного струму, зумовлена валентними електронами, які обертаються навколо ядер на зовнішніх оболонках. Внаслідок значного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів метала ці атоми можуть вільно обмінюватися валентними електронами. Іншими словами, в металах валентні електрони можуть вільно переміщуватись між атомами. Такі електрони називають вільними. В створенні електричного струму можуть приймати участь лише рухомі носії електричних зарядів. Тому електропровідність речовини тим більша, чим більше в одиниці об’єму цієї речовини знаходиться рухомих носіїв електричних зарядів. В металах практично всі валентні електрони (які є носіями елементарного негативного заряду) являються вільними, що і забезпечує високу електропровідність металів. Більшість напівпровідників, які широко використовуються в радіоелектроніці, відносяться до кристалічних тіл, атоми яких утворюють просторову решітку. Взаємне притягання атомів, утворюючих кристалічну решітку, здійснюється за рахунок ковалентного зв’язку, тобто загальної пари валентних електронів, які обертаються на одній орбіті навколо цих атомів. Згідно принципу Паулі загальну орбіту можуть мати лише два електрони з різними спинами і тому число ковалентних зв’язків атома визначається його валентністю. Така кристалічна структура, де всі електрони пов’язані з атомами не повинна проводити електричний струм. Однак під дією зовнішніх сил в напівпровіднику виникає електропровідність. 2. Власні і домішкові напівпровідники. Елементарні напівпровідники кремній, германій. При деяких зовнішніх впливах (температури, напруги, світла та ін.) з’являються електрони, енергія яких стає достатньою для виходи із валентної зони і переходу в зону провідності. Ці електрони звільняються від з’язків та стають вільними, створюючи струм електронів. Вихід електрону з валентної зони приводить до появи в ній незаповненого енергетичного рівня. Вакантний енергетичний стан називається діркою. Воно має некомпенсований позитивний заряд, який дорівнює заряду електрона. В результаті виникає пара електрон – дірка. Цей процес називається генерацією зарядів. Валентні електрони сусідніх атомів можуть переходити на вільні (незаповнені) енергетичні рівні, утворюючи дірки в іншому місці. Це приводить до того, що дірка в одному місці заповнюється (зникає), а в іншому – виникає, тобто вона буде хаотично переміщуватись по кристалічних гратах, створюючи дірковий струм. Таким чином, струм в напівпровіднику може бути обумовлений рухом як вільних електронів, так і дірок. Дірки та електрони при зустрічі можуть з’єднуватись та зникати. Цей процес називається рекомбінацією зарядів. Вільні електрони та дірки є носіями електричних зарядів: електрони – негативних n, дірки – позитивних p. В бездомішковому напівпровіднику кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок, тобто концентрації електронів ni та дірок pi однакові ni = pi ni*pi = ni2 = pi2 Для кремнію pi = ni = 1.4*1010 см -3 , для германію pi = ni = 2.5*1010 см -3, тобто в кремнію кількість вільних електронів менша ніж в германію завдяки більшої енергії іонізації. У власному напівпровіднику концентрація електронів та дірок установлюється як результат динамічної рівноваги двох безперервних процесів: генерації та рекомбінації рухомих носіїв. В електронних приладах частіше застосовують домішкові напівпровідники, які дозволяють змінювати властивості напівпровідників.  Атом акцепторної домішкиВ  ільний електрон Атом донорної домішки   \Валентні електрони    б а Рис. Кристалічні грати домішкових напівпровідників а — n – типу; б— p – типу В електроніці застосовують напівпровідники, частину атомів яких заміщують атомами іншої речовини. Такі напівпровідники називаються домішковими напівпровідниками. 3.Основні та неосновні носії зарядів, їх концентрація,механізм розсіянія та рухливості. Не равновісні носії заряду та механізм рекомбінації. Напівпровідник з електронною електропровідністю При введенні в чотирьохвалентний напівпровідник домішкових п'ятивалентних атомів (фосфору Р, сурми 8Ь). Чотири електрони атома домішки вступають в зв'язок з чотирма валентними електронами сусідніх атомів основного напівпровідника. П'ятий валентний електрон виявляється майже не зв'язаним з своїм атомом і при одержанні додаткової незначної енергії, яка зветься енергією активації, відривається від атома і стає вільним. Домішки, які збільшують число вільних електронів, називають донорними або просто донорами, Атоми п'ятивалентних домішок, які "загубили" по одному електрону, перетворюються в позитивні іони. На відміну від дірок позитивні іони міцно зв'язані з кристалічною решіткою основного напівпровідника, є нерухомими позитивними зарядами і тому не можуть приймати безпосередньої участі в створенні електричного струму в напівпровіднику. Незначна енергія активації домішок ∆W, яка дорівнює 0,16 еВ для кремнію і 0,01...0,13 еВ для германію, вже при кімнатній температурі приводить до повної іонізації п'ятивалентних атомів домішок і появи в зоні провідності вільних електронів. Оскільки в цьому випадку поява вільних електронів не супроводжується одночасним збільшенням дірок в валентній зоні, то в такому напівпровіднику концентрація електронів виявляється значно вищою концентрації дірок. Дірки в такому напівпровіднику утворюються лише в результаті розриву ковалентних зв'язків між атомами основної речовини. Напівпровідники, в яких концентрація вільних електронів в зоні провідності перевищує концентрацію дірок в валентній зоні, називаються напівпровідниками з електронною електропровідністю або напівпровідниками n-типу. Рухомі носії заряду, яких в напівпровіднику більшість, називають основними. Відповідно ті носії, яких в напівпровіднику менше, називають неосновними для даного типу напівпровідника. В напівпровіднику nтипу основними носіями заряду є електрони, а неосновними-дірки. Напівпровідники з дірковою електропровідністю • Якщо в кристалі чотирьохвалентного елемента частина атомів заміщена атомами трьохвалентного елемента (галія Gа, Індія Іп ), то для створення чотирьох ковалентних зв'язків у домішкового атома не вистачає одного електрона (рйет-43?а). Цей електрон можна одержати від атома основного елемента напівпровідника за рахунок розриву ковалентного зв'язку. Розрив зв'язку веде до появи дірки, тому що супроводжується створенням вільного рівня в валентній зоні. Домішки, які захоплюють електрони з валентної зони, називають акцепторними або акцепторами. Енергія активації акцепторів ДИ/д складає для германія 0,01. ..0,012 еВ і для кремнію 0,04. ..0, 16 еВ, що значно менше ширини забороненої зони бездомішкового напівпровідника.• Завдяки малому значенню енергії активації акцепторів вже при кімнатній температурі електрони з валентної зони переходять на рівні акцепторів. Ці електрони, перетворюючи домішкові атоми в негативні іони, втрачають свою здатність переміщуватися по кристалічній решітці і не можуть брати участь у створенні електричного струму. За рахунок іонізації атомів початкового матеріалу з валентної зони частина електронів потрапляє в зону провідності. Проте електронів в зоні провідності значно менше, ніж дірок у валентній зоні. Тому дірки в таких напівпровідниках є основними, а електрони - неосновними рухомими носіями заряду. Такі напівпровідники носять назву напівпровідників із дірковою електропровідністю або напіпровідники p – типу. Висновки:
Струми в напівпровідника У власному напівпровіднику електрон та дірка знаходиться в стані хаотичного теплового руху. Як відомо, струм – це направлене переміщення носіїв заряду. Він виникає в напівпровіднику при наявності електричного поля або області з різною концентрацією носіїв заряду. Струм напівпровідника має дві складові – електронну In та діркову Ip I=In+Ip Далі будемо розглядати не струм, а щільність струму J=I / S де S – площа перерізу напівпровідника, крізь яку проходить струм I. Дрейфовий струм Дрейфовий струм виникає в напівпровіднику, якщо до нього прикладається електричне поле. Щільність електронної складової дрейфового струму дорівнює: J др n = enµnE , де e – Заряд електрону ( 1.6*10-9 Кл) n – концентрація електронів; µn – рухомість електронів; E - напруженість електричного поля. Рухомість електронів µn – є їх здатність переміщуватись під дією електричного поля. Аналогічно щільність діркової складової дрейфового струму знаходиться за формулою: Jдр p = epµpE, де p – концентрація дірок, µp – рухомість дірок. Загальна щільність дрейфового струму в напівпровіднику дорівнює сумі Jдр = Jдр p + Jдр n , Jдр = eE(µnn + µpp) . 4.Дифузійний струм В областях напівпровідника з різною концентрацією електронів (дірок) вірогідність зіткнення електронів (дірок) більше там, де вища їх концентрація. Тому, за законами фізики, носії заряду, будуть намагатися перейти із обдастей менших зіткнень, тобто переміщуватись із області більших концентрацій в область менших концентрацій ( дифузія). Оскільки дифузія є переносом носіїв заряду, то в напівпровіднику з’являється дифузійний електричний струм. Він намагається вирівняти концентрацію носіїв. Дифузійний струм електронів (як і струм дірок) рухається в бік зменшення концентрації і так само як струм мусить бути негативним. Однак відповідно з прийнятим в техніці умовним направленням вважається, що дифузійний струм електронів рухається в бік зростання концентрації електронів, тобто назустріч потоку електронів, тому в рівнянні ( 4.1) стоїть знак ”+”. Загальна щільність дифузійного струму в напівпровіднику буде Jдиф = Jдиф n + Jдиф p Рекомбінація носіїв заряду та час їх життя Як відомо, в напівпровіднику внаслідок теплового збудження електронів здійснюється генерація пар "електрон - дірка" та іонізація атомів домішки, які приводять до збагачення напівпровідника рухомими носіями заряду. Поряд з процесом генерації носіїв заряду в напівпровіднику існує і зворотний процес - рекомбінація, зв'язаний з переходом електрона з зони провідності в валентну зону і який приводить до зникнення двох рухомих носіїв заряду - електрона і дірки. В стані термодинамічної рівноваги відбувається безперервний обмін електронами між рівнями валентної зони, зони провідності і домішковими рівнями. При цьому установлюється концентрація носіїв заряду, яка називається рівноважною. Крім теплового збудження, яке приводить до виникнення рівноважної концентрації зарядів, рівномірно розподілених по об'єму напівпровідника, збагачення напівпровідника електронами і дірками може здійснюватися його освітлюванням, опромінюванням потоком заряджених частинок, введенням їх через контакт (інжекцією) і таке інше. Енергія збудника в цьому випадку передається безпосередньо носіями заряду і теплова енергія кристалічної решітки залишається практично незмінною. Отже, надмірні носії заряду не знаходяться в тепловій рівновазі з решіткою і тому називаються нерівноважними. На відміну від рівноважних вони можуть нерівномірно розподілятися по об'єму напівпровідника. Після закінчення дії збудника за рахунок рекомбінації електронів і дірок концентрація надмірних носіїв швидко спадає і досягає рівноважної величини. В сучасній електронній техніці широко використовуються напівпровідникові прилади, які ґрунтуються на принципах фотоелектричного та фотооптичного змінювання сигналів. Перший з цих принципів зумовлений зміною електрофізичних властивостей в наслідку поглинання в ній світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється ДЕС., що призводить до зміни струму в колі, в якому увімкнений елемент. Другий принцип зв’язаний з генерацією випромінювання в речовині, зумовлений прикладеним до нього струмом та струмом який протікає крізь світло випромінюваний елемент. Вказані принципи створюють научну основу фотоелектроніці – нового научно-технічного напрямку, в якому для передачі, обробки та зберігання інформації використовуються як електричні, так і оптичні засоби та методи. Безліч оптичних та фотоелектричних явищ у напівпровідниках можна звести до основ: 1.Поглинання світла та фотопровідність. 2.Фотоефект в p-n переході. 3.Електролюмінесценсія 4.Стимульоване когерентне випромінювання. Кремній Кремній – основний матеріал сучасного П/П виробництва. Він широко використовується для виготовлення П/П приладів і для виготовлення UMC виявляється єдиним П/П матеріалом. Кремній виявляється одним із самих розповсюджених єлеиентів в земній корі, де його вмісткість становить 29,5 % . Найбільш розповсюдженим сполученням цього елементу виявляється двоокис кремнію SiO2. Кремній в вільному стані в природі не зустрічається. Кремній Si – елемент 4-ї групи ПСЄ Менделєєва. На зовнішній валентній оболочці атома кремнію 4 електрони ∆W кремнія при 20 0С – 1,12 єВ. Концентрація властних носіїв заряду – 3*1016 , придільна опірність 2,3*103 Ом*м і різно зменшується при збільшенні концентрації домішок. При низьких температурах і високому тиску кремній переходить в над провідникових стан, таким чином ρ кремнію зменшується зменшується практично до нуля. Зовнішнє кремній являє собою темно-сірий матеріал з металевим блиском, твердий і крихкий. Густина – 2320 кг/м3 , температура плавлення 1414 0С. Застосування кремнію Кремній являється базовим матеріалом при виготовленні пленарних транзисторів і інтегральних мікросхем. Із кремнію виготовляють широкий асортимент дискретних П/П приладів-вимірювачів,імпульсних і СВЧ – діодів, НЧ і ВЧ; потужних і малопотужних біполярних транзисторів, польові транзистори. Робочі частоти планарних транзисторів досягають до 10 ГГн. Із кремнію виготовляється більшість транзисторів. Широке застосування одержали кремнієві фото чутливі прилади. Кремнієві фотоелементи служать для перетворення сонячної енергії в електричну, використовуються як сонячні батареї. Вони використовуються в системі енергопостачання космічних апаратів. Германій Германій відноситься до числа дуже розсіяних елементів, в тому числі дуже часто зустрічається в природі, але присутній в різних мінералах в дуже невеликій кількості. Його наявність в земній корі складає десь приблизно 7 – 10 %. Чистий германій має металевий блиск, характеризуються високою твердістю і крихкістю. Кришталевий германій хімічно стійкий в повітрі при кімнатній температурі. При нагріванні до температури вище 50 0С він окислюється з утворенням двоокису GeO2 . Із-за нестабільності властивостей германій не можу бути використаний в П/П технології, як кремній. Кількість атомів в одиниці об’єму 4,45*1028 м3 ∆n = 0,75 єВ, концентрація власних носіїв 2,5*1019 м3 , ρ = 0,68 атм. Густина 5360 кг/м3 , температура плавлення нище ніж у кремнію 937 0С. Застосування германію На основі германію випускається багато приладів різного призначення, широке розповсюдження одержали викремітельні плоскості діоди і сплавні біполярні транзистори. Германій використовують також для створення тунельних діодів, точених ВЧ, імпульсивних і СВЧ діодів. Оптичні властивості германію дають можливість використовувати його для виготовлення фото резисторів і фото діодів, оптичних лінз, фільтрів, модуляторів світла, лічильників ядерних частин. |
||||||||||||||||||||||||||||
Неорганічні
ОрганічніСхожі:
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Дніпропетровський... Програма комплексного кваліфікаційного екзамену охоплює теми фундаментальних дисциплін з історії, які забезпечують базовий рівень... |
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ... «МЕДИКО-БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ФІЗИЧНОЇ КУЛЬТУРИ І СПОРТУ» для випускників заочної форми навчання |
|
Тараса Шевченка Юридичний факультет кафедра трудового, земельного... Змістовний модуль Регулювання земельних правовідносин органами публічної влади 15 |
Кафедра природничо-математичних дисциплін та інформаційних технологій Кафедра об’єдную творчий колектив з 36 співробітників (з 13 викладачів-сумісників 3 докторів та 7 кандидатів наук; з 23 викладачів... |
|
Шановні колеги! Запрошуємо Вас взяти участь у роботі IV Міжнародної... Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні проблеми і перспективи розвитку обліку, аналізу та контролю в умовах глобалізації... |
Керівництво кафедрою здійснює начальник (завідуючий) кафедрою, який... Кафедра створюється рішенням Вченої ради вищого навчального закладу за умови, якщо до її складу входить не менше ніж п'ять науково-педагогічних... |
|
Кафедра соціально-гуманітарних дисциплін |
Кафедра кримінально-правових дисциплін |
|
Кафедра іноземних мов та перекладу |
В. П. Жиленко Кафедра менеджменту. Національний університет кораблебудування... Кафедра менеджменту. Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua