4. Клас­сификации электронных приборов и устройств.

Элементной базой современных электронных устройств являются электровакуумные и полупроводниковые приборы.

Электровакуумные приборы – электронные приборы, в которых проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные.

Электронные - через них проходят электроны, не создавая ионизации. Длина свободного пробега электрона больше расстояния между электродами, давление 10^-6 мм рт. ст.

Ионные (газоразрядные) - создается ионизация, давление 10^-3 мм рт. ст.)

В н.в. применение электронных ламп ограничено в связи с развитием полупроводниковой техники. Однако при больших частотах и мощностях лампы еще находят широкое применение.

Полупроводниковые приборы – электронные приборы, в которых применяются вещества, проводимость которых зависит от их кристаллической решетки и внешних воздействий (температура, свет, эл. поле, потоки быстрых частиц).

Полупроводниковые приборы подразделяются на:

Диоды

Транзисторы

Фотоприборы

Индикаторные приборы.

Индикаторными приборами называют приборы, предназначенные для визуального представления информации.

фотоэлектрическими называют электронные приборы, преобразующие энергию светового излучения в электрическую энергию.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего излучения.

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскости p-n-перехода.

Фототранзистор по структуре аналогичен структуре биполярного транзистора. Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод.

Оптоэлектронный прибор содержит одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и выходным параметром является электрический сигнал, причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким кпд. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные, выше фотоэлектрические приборы: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др.

5. Электропроводимость полупроводников.

Все вещества образованы атомами, состоящими из положи­тельно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтраль­ные частицы — нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный за­ряд электрона по величине равен положительному заряду протона. В нормальном состоянии число электронов, образующих элек­тронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре и атом элек­трически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия электрона W (так называемый разре­шенный энергетический уровень). Количество электронов в слоях строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может нахо­диться не более двух электронов, во втором — не более восьми и т.п. Электроны целиком заполненных слоев устойчивы к внешним воздействиям. Не «уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, который легко отдает и воспринимает электроны. Эти электроны определяют валент­ность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра рас­положена орбита электрона, тем большей энергией он обладает. Под воздействием энергии теплоты, света, радиации или ка­ких-либо других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным, а при дальнейшем увеличе­нии энергии, называемой работой выхода, электрон покидает по­верхность вещества.

Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:

1. Удельной проводимостью вещества,

2. Концентрацией свободных носителей заряда (n).

В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

• диэлектрики (n≈10^-²) эл/см³

• полупроводники (10¹²<n<10¹⁶ эл/см³)

• проводники (n≈10¹⁹эл/см³).

Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и изоляторами. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения.

В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны «своего» атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько — по числу соседних атомов в кристаллической ре­шетке. Эти уровни создают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою элек­тронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми, составляют зону проводимости, так как ее уровни могут занимать побужденные электроны, обеспечи­вающие электропроводность вещества. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона.

Зонная структура лежит и основе разделения веществ на про­водники, полупроводники и диэлектрики.

Носителями тока в полупроводниках являются электроны и дырки (носители положительных зарядов).

Дырка – условный термин, который применяется к атому кристаллического вещества, у которого выбит один электрон. Дырка характеризуется положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.

В идеальных кристаллах электроны и дырки являются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. Электроны и дырки могут перемещаться в полупроводнике под действием электрического поля. Это делает кристалл способным проводить электрический ток Проводимость, обусловленная образовавшимися зарядами, называется собственной проводи­мостью полупроводника.

В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, это равенство может нарушаться и проводимость осуществляется только одним типом носителей. В отличие от собственной проводимости полупроводников, проводимость, обусловленная примесными атомами, называ­ется примесной. Характером носителей зарядов и значением примесной электропроводности можно управлять, подбирая состав и концентрацию примесей.

Если в решетку германия внести примесь пя­тивалентного вещества, например сурьмы, то четыре ее электрона вступят в ковалентную связь с соседними атомами германия. Пятый электрон сурьмы слабо связан с кристалли­ческой решеткой и, легко отрываясь, становится свободным. На месте ушедшего электрона образуется неподвижный поло­жительный ион. При наличии электрического поля перемещаться могут только электроны. Поэтому полупровод­ники такого типа получили название полупроводников п-типа (отрицательный). Таким образом, полупроводники п-типа характеризуются наличием свободных электронов и связанных положительных зарядов.

Если в германий добавить трехвалентную примесь, напри­мер, индия, то для образования устойчивой структуры ин­дию не хватит одного электрона и одно место в решетке ока­жется вакантным. На это место может перейти электрон из соседнего атома. Тогда на месте ушедшего электрона образу­ется дырка, а примесный атом индия превращается в связан­ный отрицательный заряд. В электрическом поле будут перемещаться только дырки. Полупроводники такого вида получили название р-полупроводники (положительный).

В примесных полупроводниках, кроме примесной проводимости, существуют пары электрон—дырка, обуслов­ленные собственной проводимостью (за счет температуры). В полупроводниках n-типа электроны называются основными носителями, а дырки—неосновными носителями. В полупро­водниках р-типа основными носителями, являются дырки, а электроны — неосновными.