Передмова

Посібник написаний на основі досвіду викладання дисципліни «Твердотільна електроніка» для студентів спеціальностей «Електронні системи», «Електронні прилади і пристрої», «Фізична та біомедична електроніка».

Детальний і ґрунтовний розгляд фізичних процесів у дискретних та інтегральних елементах електронної техніки і принципів їх описання сприяє розви­тку у студентів уміння вибирати ці елементи й режим їх роботи, грамотно експлуа­тувати електронну техніку. Ця навчальна дисципліна є базою для вивчення аналогової схемотехніки, цифрової схемотехніки, електро­нних систем, мікросхемотехніки, енергетичної електроніки та цілого ряду інших предметів, причому вона забезпечує всебічне засвоєння першого рівня підготовки фахівця з електроніки у рамках циклу «прилади-пристрої-системи».

Навчальний посібник складається із семи розділів. Перший розділ присвячений елементам фізики напівпровід­ників та електронно-діркових переходів, другий – будові, харак­теристикам і параметрам напівпровідникових діодів, третій – будові, принципу дії, характеристикам та парамет­рам біполярних транзисторів. Четвертий розділ містить виклад теорії і характеристик польових напівпровідникових приладів, у п'ятому розділі розглядаються тиристори та сучасні потужні напівпровідникові уніполярно-біполярні комута­тори, шостий - ознайомлює слухачів з основами оптоелект­роніки. І, нарешті, у сьомому розділі послідовно і ґрунтовно розглядаються основи мікроелектроніки, яка була і є вчора, сьогодні і завтра твердотілої електроніки.

Навчальний посібник ураховує переважну більшість здобутків сучасної електроніки і призначений насамперед для студентів та аспірантів відповідних спеціальностей, а також для усіх бажаючих самостійно опанувати таємниці захоплюючого світу електроніки.

1 Елементи фізики напівпровідників та електронно-діркових переходів

1.1 Загальні відомості про напівпровідники

Напівпровідники (НП) – це речовини, що за своїми електричними властивостями займають проміжне місце між провідниками та діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників змінюється в межах См/м, тоді як у металах вона дорівнюєСм/м, а у діелектриках не перевищуєСм/м.

Основна властивість, що відрізняє напівпровідники від інших матеріалів у електричному відношенні, – це суттєва залежність питомої електропровідності від температури, концентрації домішок, світлового та іонізуючого випромінювань.

У провідників електрони на зовнішніх оболонках атомів кристалічної ґратки (валентні електрони) слабо зв’язані з ядрами, і вони внаслідок щільного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів мають змогу вільно переходити від одного атома до іншого. Це зумовлює високу електропровідність провідників. У напівпровідниках, на відміну від провідників, валентні електрони беруть участь у ковалентному зв’язку між сусідніми атомами ґратки, який здійснюється парою електронів (рис. 1.1). Кількість ковалентних зв’язків атома із сусідніми атомами дорівнює валентності.

Чистими (бездомішковими) напівпровідниками є чотиривалентні германій Ge та кремній Si, елементи 4-ї групи періодичної таблиці. Тому кількість ковалентних пар електронів у атомах цих речовин – 4, як це показано на рисунку 1.1 для германію.

Енергетична діаграма бездомішкового НП показана на рисунку 1.2 для випадку . Вона ілюструє той факт, що в ході утворення кристалічної ґратки між атомами виникає сильна взаємодія, яка приводить до розщеплення енерге­тичних рівнів електронів у атомі. Кожній орбіті відповідає своє дискретне значення енергії електрона. Сукупність енергетичних рівнів, що виникають під час зближення атомів, називають енергетичною зоною. Кожна зона містить у собіпідрівнів (– кількість взаємодіючих атомів у одиниці об’єму). На рисунку 1.2 такі зони (дозволені зони) мають назву: ВЗ – валентна зона – це зона, в якій привсі енергетичні рівні заповнені; ЗП – зона провідності – зона, в якій приелектрони відсутні. Дозволені зони відокремлені одна від одної забороненою зоною (ЗЗ) – зоною, що утворена енергетичними рівнями, які не можуть бути заповнені електронами атомів даної речовини.

Рисунок 1.1 – Схема кристалічної ґратки з ковалентними зв’язками при абсолютній температурі Т=0

Рисунок 1.2 – Енергетична діаграма бездомішкового напівпровідника при Т=0

Ширина ЗЗ – це важливий параметр, що визначає електричні властивості твердого тіла. У металів ширина ЗЗ , у напівпровідників –, у діелектриків –.

Отже, при абсолютній температурі в бездомішко­вому НП усі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (ЗП не заповнена).