"Физические явления при контакте твердых тел" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
При образовании кристаллической решетки металла внешние валентные электроны оказываются настолько слабо связанными со своими ядрами, что под воздействием соседних атомов они могут свободно переходить на внешние орбиты этих атомов и передвигаться по кристаллу. При этом атомы превращаются в положительные ионы и распределяются в узлах кристаллической решетки, а свободные электроны, перемещающиеся в пространстве между узлами кристаллической решетки, обуславливают электропроводность металлов. Движение электронов внутри металла определяется силами взаимодействия электронов с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. При температуре абсолютного нуля и отсутствии каких-либо внешних воздействий эти силы практически уравновешены и электроны внутри металла двигаются хаотически. Это равновесие нарушается лишь у поверхности металла, где образуется поле двойного электрического слоя. Первый слой образуется электронами, выходящими из металла (электронное облако), а второй - ионами поверхностного слоя. Поле двойного электрического слоя препятствует дальнейшему выходу электронов из металла, но при увеличении температуры появляются электроны, способные преодолеть его. Эти электроны теряют свою кинетическую энергию, но их потенциальная энергия растет. Если суммировать все препятствующие силы двойного электрического слоя и назвать их потенциалом пространства, то можно ввести понятие потенциального барьера. Высота потенциального барьера определяет тот минимум энергии, который необходим электрону для выхода из металла. Электрон, обладая некоторым запасом энергии, должен получить дополнительную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер и осуществить работу выхода. Явление испускания электронов твердыми телами называется эмиссией электронов. Работа выхода выражается через потенциал, который определяется разницей между высотой потенциального барьера и потенциалом валентного электрона. Эта разница потенциалов (работа выхода) зависит от толщины электронной оболочки, которая в свою очередь определяется природными свойствами кристаллической решетки конкретного металла.
Основной электрической характеристикой, по которой вещество может быть отнесено к классу проводников, изоляторов и полупроводников является удельная электропроводность:
Для металлов 105-106Ом*см
Для изоляторов 10-10-10-15Ом*см.
Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах 10-1-10-4Ом*см и занимающие по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Объясняется это зонной теорией.
При образовании кристалла энергетические уровни атомов расщепляются, что приводит к образованию зон. Электроны в полупроводнике могут иметь некоторые фиксированные значения энергии или, как говорят, занимают определенные энергетические уровни, образующие области близкорасположенных дискретных значений полной энергии электронов - разрешенные энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными энергетическими зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют самые нижние разрешенные уровни, где их энергия минимальна. Вышележащие зоны остаются пустыми. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон полупроводника называется валентной, а следующая за ней незаполненная - зоной проводимости (зона свободных электронов).
Для перехода из валентной зоны в зону проводимости носитель должен приобрести энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Минимальное значение этой энергии равно ширине запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны различна у разных материалов и зависит от температуры:
Рис.1 Энергетическая (зонная) диаграмма
Для Ge ДE=0,72 эВ (электрон-Вольт)
Для Si ДE=1,12 эВ
Для GaAs ДE=1,43 эВ
Ширина запрещенной зоны в металлах практически равна 0, т. е.число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электропроводность. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках настолько велика (ДE>4эВ), что при обычных условиях электроны проводимости практически отсутствуют.
Рис.2 Энергетическая диаграмма для полупроводников n - типа.
Рис.3 Энергетическая диаграмма для полупроводников p - типа.
Отличие полупроводников от проводников не количественное, а качественное, связанное со строением и физическими свойствами материалов. Увеличение температуры приводит к уменьшению сопротивления, а для проводников к увеличению.
Сопротивление полупроводников зависит от:
Температуры,
Наличия примесей
Освещенности
Механического давления
Рентгеновского излучения и т. д.
Качественно зависимость проводимости от внешних условий можно представить как:
При изменении температуры на 1 градус удельное сопротивление меняется на 5-6 %.
Введение примесей изменяет проводимость полупроводников
Если добавить 10-5% примеси, то сопротивление уменьшается в 200 раз.
Наиболее типичными полупроводниковыми материалами являются германий и кремний. Особые свойства полупроводников проявляются только при рассмотрении кристаллической структуры. Далее предполагается, что все процессы происходят в идеальных (или близких к идеальным) кристаллах.
Монокристаллическая структура Ge и Si называется тетраэдром, в ней атомы размещаются в узлах кристаллической решетки, а каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентной связью. На внешней электронной оболочке 4 электрона.
На рис.4 приведено условное расположение атомов в кристалле кремния.
В твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера, поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому. Однако этот процесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано, Например, в германии и кремнии два электрона осуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон и перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, он переносит с собой излишний отрицательный заряд, т. е. становится электроном проводимости.
Рис.4 Кристаллическая структура кремния
Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны между собой.
P-n переход.
При металлургическом контакте полупроводников p и n типа на их границе (металлургическая граница) возникает область, которую называют p - n переходом.
При металлургическом контакте через границу раздела начинается диффузия основных носителей заряда. Дырок из p > n и з из области n > p. Ионы образуют области объемного заряда - в P и + в N.
Объемные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению основных носителей заряда. Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое приводит к образованию дрейфового тока, направленного навстречу диффузионному. Таки образом, основные носители заряда образуют диффузионную составляющую тока через p-n переход, а неосновные носители - дрейфовую. Эти составляющие равны по модулю и противоположны по направлению. Поэтому суммарный ток = 0 без воздействия внешнего поля.
P - n переход под действием внешнего напряжения.
Прямое смещение p - n перехода:
При прямом смещении p - n перехода внешним напряжением через малое сопротивление областей p - n перехода (к области объемного заряда). Т. к. эта область обладает большим сопротивлением т. к. в ней нет свободных носителей заряда.
Это внешнее напряжение понижает высоту потенциального барьера, уменьшает размеры p - n перехода, что приводит к увеличению диффузионной составляющей тока, то есть к увеличению тока основного носителя заряда.
Дрейфовая составляющая практически не изменяется, т. к. она зависит от неосновных носителей заряда, число которых постоянно при данной температуре и не зависит от внешнего напряжения.
Диффузионная составляющая резко изменяется при изменении внешнего напряжения т. к. число дырок и электронов, способных преодолеть уменьшающийся потенциальный барьер возрастает экспоненциально.
При этом во внешней цепи протекает ток, совпадающий с диффузионной составляющей тока и практически равной ему.
P - n переход при обратном смещении.
При обратном смещении p - n перехода область объемного заряда увеличивается, ширина p - n перехода возрастает, уменьшая число основных носителей заряда, способных преодолеть возросший барьер, уменьшается диффузионная составляющая тока через p - n переход.
И уже при малых обратных напряжениях она практически равна нулю.
Через p - n переход протекает только дрейфовая составляющая тока, обусловленная неосновными носителями заряда. Т. О, ток через p - n переход зависит от полярности внешнего напряжения и значением этого напряжения. При прямом смещении этот ток резко возрастает, а при обратном смещении он пренебрежимо мал.
Это свойство p - n перехода называют выпрямительным (вентильным) свойством p - n перехода.
Вольт - Амперная характеристика p - n перехода.
Похожие статьи
-
Для целенаправленного изменения свойств полупроводники легируют, т. е. вводят в небольшом количестве атомы примесей, позволяющие управлять типом...
-
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Оптоэлектроника - область электроники, занимающаяся вопросами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Новое направление в...
-
Полупроводниковый резистор - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, построенный на полупроводнике, равномерно легированном примесями. В...
-
Полевые транзисторы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем...
-
Полупроводниковые твердые схемы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Твердые схемы представляют собой устройства, состоящие из кристаллов полупроводника, выполняющих функции активных и пассивных элементов схемы без внешних...
-
Биполярные транзисторы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Транзисторами называются полупроводниковые приборы, способные усиливать электрическую мощность, имеющие три или более выводов, один или более p-n...
-
Микроэлектроника - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Интеграмльная (микро)схемма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочимп (англ. microchip, silicon chip, chip -- тонкая...
-
1. Физическая Т-образная эквивалентная схема На рисунке 5.12 приведена физическая Т-образная эквивалентная схема транзистора с общей базой, где:?...
-
Ключевой режим работы транзистора - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
1. Транзисторный ключ с общим эмиттером Наибольшее распространение в цифровой и импульсной технике имеет ключ с общим эмиттером. В схеме - коллекторная...
-
Перспективы развития электроники - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Современные состояние развития электроники заключается в переход от микротехнологии к нанотехнологии. Прогресс в развитии науки и технологии,...
-
Схемы ЭСЛ _ эмиттерно-связанной логики - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики имеют более высокое быстродействие, чем схемы ТТЛ (даже ценой большей рассеиваемой мощности), достигшее в...
-
Схемы ТТЛ _ транзисторно-транзисторной логики - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Разновидности схем ТТЛ Также широко используются на практике разновидности схем ТТЛ: А) схема ТТЛ с тремя состояниями выхода Схемы базовых ТТЛ нельзя...
-
Схема ДТЛ - диодно-транзисторной логики - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Основная схема ДТЛ приведена на рисунке 2.16,а. Здесь диоды VD1, VD2, VD3 и резистор R1 представляют собой конъюнктор (И), элементы VT, R2, R3 _ инвертор...
-
Нанесение защитной пленки диэлектрика (Si02) - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры. Для этого в кремний нужно внедрить так называемые...
-
Переключательные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
К переключательным полупроводниковым приборам относятся тиристоры, однопереходные и лавинные транзисторы. Тиристоры - это многослойные переключающие...
-
Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ. Входной характеристикой транзистора,...
-
Для реальных структур Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом. Допустим, в...
-
"Введение, этапы развития электроники" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Электроника-область науки, техники и производства, охватывающая изучение физических основ, исследование, разработку и принципы использования приборов,...
-
Физические процессы в р-n-переходе Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход),...
-
В громадном большинстве полупроводниковых приборов используется р-п переход (только иногда р-п переход не нужен, например, в фотосопротивлениях, или...
-
Фотоэлектрические преобразователи энергии - Типы преобразователей
Для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также для подзарядки...
-
Само название "полупроводник" произошло от различия электропроводности полупроводников от электропроводности металлов и диэлектриков. Действительно Но...
-
Основные параметры логических интегральных микросхем Входное U1вх и выходное U1вых напряжения логической единицы - значение высокого уровня напряжения на...
-
Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему - Исследование полупроводниковых диодов
Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе. P-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности...
-
Ориентация антенны Приемную антенну для приема со спутника можно устанавливать на земле, на мачте, на стене дома, на крыше. Независимо от места установки...
-
Рецептор - объект, который находится под воздействием электромагнитных помех. Внутри РЭС рецепторами выступают маломощные чувствительные элементы и узлы...
-
Картина явлений в многорезонаторном магнетроне - Многорезонаторный магнетрон
Теперь рассмотрим принцип действия магнетрона более подробно, используя акустическую аналогию, так как процесс возбуждения звуковых колебаний в...
-
Охрана труда Перед началом работы нужно: ) Убедиться в исправности спецодежды, обуви и защитных средств. ) Проверить свое рабочее место и место...
-
Общее устройство и принцип действия магнетрона Магнетроном называется двухэлектродная лампа, в которой электроны движутся в скрещенных постоянных...
-
Для налаштування антени булоб добре знати потужність сигналу на виході конвертора. Це можливо зробити знаючи ЕІВП супутника (карти зон покриття тим чи...
-
Приборы точной настройки предлагаемые некоторыми фирмами На рынке появилось устройство TV Field Meter 7830 (TVFM), производимое фирмой Sefram Instruments...
-
Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС) - Оптико-электронные (квантовые) системы и устройства
Принцип действия одного из важнейших типов приборов этого класса, приборов с зарядовой связью (ПЗС) основан на использовании структуры металл -...
-
Вещание пакета из нескольких платных программ НТВ+ ведется со спутников "Галс", которые находятся на позиции 36о в. д. В комплект оборудования НТВ+...
-
Самым простым и дешевым является вариант спутников Hot Bird 1,2/ Eutelsat IIF-1. Однако есть одно существенное замечание. Разные спутники "светят" на...
-
Устройства для отображения информации применяются в системах, где информацию требуется представить в форме, удобной для визуального восприятия. Их...
-
Общие требования безопасности труда. Слесарь должен: применять безопасные приемы труда; содержать в исправном состоянии и чистоте инструмент, стенды и...
-
При реализации некоторых устройств аппаратуры связи, работа которых основана на использовании нелинейных электрических цепей (элементов) и...
-
Трансформаторы - Общая электротехника и электроника
Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой...
-
Полупроводниковые диоды - Исследование полупроводниковых диодов
Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис.1.4). Одна из областей р-n-структуры...
-
Физика полупроводниковых структур - Основы микроэлектроники
В полупроводниках существует два основных механизма переноса носителей заряда: 1) Диффузия - направленное перемещение носителей заряда в кристалле в...
"Физические явления при контакте твердых тел" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств