Глава 5. Электронные приборы.
§1. Классификация электронных приборов.
Приборы, принцип работы которых основан на использовании потоков заряженных частиц, управляемых с помощью электрических или магнитных полей, называют электронными. В зависимости от вида среды, в которой протекают основные процессы, электронные приборы подразделяют на электровакуумные, газоразрядные и полупроводниковые.
В электровакуумных приборах, испускаемые
нагретым катодом, движутся между
электродами, находящимися в высоком
вакууме (p~
Па).
В газоразрядных (или ионных) приборах движение электронов происходит в атмосфере инертных газов. Электрические процессы в них представляют собой разряд в газе.
В полупроводниковых приборах носители заряда (электроны или дырки) движутся в кристаллической решетке полупроводника.
Первый электровакуумный прибор – лампа накаливания – был изобретен в 1872 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным. В 1904 г. английский ученый Д. Флеминг сконструировал первый электропреобразовательный прибор – двухэлектродную лампу. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Фостер создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Б. Л. Розинг предложил применять электроннолучевую трубку для приема телевизионных изображений. В 1948 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли изобрели транзистор, совершивший революцию в радиоэлектронике.
§2. Полупроводниковые приборы.
§2.1. Собственная электропроводность.
Принцип работы полупроводниковых приборов определяется физическими свойствами полупроводниковых материалов, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление проводников ρ=10-6 – 10-5 Ом*см, полупроводников – ρ=10-4 – 10-5 Ом*см, диэлектриков – ρ= 106 – 1016 Ом*см. Свойства полупроводников и проводников различны. С повышением температуры сопротивление проводников растет, а сопротивление полупроводников и диэлектриков снижается. Такое качественное различие свидетельствует о различном механизме проводимости этих материалов.
Б
ольшинство
современных полупроводниковых приборов
выполняются из кремния (Si)
и германия (Ge)
– элементов 4 группы периодической
системы элементов Д. И. Менделеева, а
также из арсенида галлия (GaAs).
Кристаллическая структура Si и Ge такая же, как у алмаза: каждый атом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Двухмерная модель кристаллической решетки изображена на (рис. 1).
Как известно, у атомов различных элементов можно выделить оболочки полностью заполненные электронами (внутренние) и незаполненные (внешние). Электроны, расположенные на внешней оболочке, называются валентными. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантомеханический характер, они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Такая связь называется ковалентной (парной) (рис. 2). Большими кружками показаны ионы Ge.
Я
Рис. 2
дра
атомов на внутренних оболочках обладают
положительным зарядом +4, который
уравновешивается отрицательными
зарядами электронов на внешней оболочке,
показанными маленькими кружками. Вместе
с электронами соседних атомов они
образуют ковалентные связи, показанные
линиями на кристаллической решетке.
Таким образом на внешней оболочке
находятся 4 своих электрона и 4 электрона,
заимствованные по одному у четырех
соседних атомов. В подобной идеальной
кристаллической решетке направленное
движение электронов невозможно, т. к.
ему препятствуют силы взаимодействия
электронов с атомами Ge.
Это справедливо для температуры
абсолютного нуля (T=0).
При температуре отличной от абсолютного нуля, атомы решетки колеблются и некоторые электроны получают энергию, для того, чтобы оторваться от своего атома. При этом в результате нарушения ковалентной связи образуется электрон проводимости и дырка, являющаяся разорванной связью. Таким образом, за счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно-дырочная пара (рис. 3). Электроны этих пар могут занимать любое положение внутри решетки, а блуждающая по кристаллу разорванная связь – дырка – не может. Она перемещается от одного атома к другому за счет того, что разорванная ковалентная связь замещается электроном одного из соседних атомов, при этом образуется новая разорванная связь и т. д. Следовательно, свободный электрон и дырка существуют и движутся независимо.
Полупроводник,
не имеющий посторонних связей, называется
собственным проводником. В таком
полупроводнике концентрация электронов
и дырок одинакова. Она называется
собственной концентрацией
и равна
,
г
де
А – коэффициент пропорциональности, Т
– абсолютная температура,
- ширина запрещенной зоны при Т=0К, равная
минимальной энергии, которую нужно
сообщить электрону, чтобы вывести его
из валентной зоны в зону проводимости;
k
– постоянная Больцмана.
Способность
электронов и дырок двигаться под
действием электрического поля называется
подвижностью поля
.
Подвижность
равна скорости электрона или дырки при
напряжении поля, равной единице.
Удельная проводимость полупроводника
,
где
,
- подвижность электронов и дырок, q
– заряд электрона, n
и p
– объемные концентрации электронов и
дырок соответственно.
Подвижность электронов в Si и Ge в 2-2.5 раза выше, чем подвижность дырок, поэтому собственная проводимость полупроводника носит в основном электронный характер.