Электротехника и электроника. - Немцов М.В.
Скачать (прямая ссылка):
12.6. Расстояние между источником с постоянным номинальным напряжением UHOU = 240 В и приемником равно / = 300 м. Определите площадь поперечного сечения проводов из алюминия (см. табл. 2.1), соединя-. ющих источник и приемник, при токе /= 20 А и допустимом падении напряжения е = 5%.
Ответ: 29,5 мм2.
ГЛАВА 13 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
13.1. Сведения о полупроводниках
Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, работа которых основана на прохождении электрического тока в твердом теле, вакууме и газах. Соответственно, электронные приборы называются полупроводниковыми, электронно-вакуумными и газоразрядными. В настоящее время электронно-вакуумные и газоразрядные приборы применяются только в специальных случаях и рассматриваться здесь не будут.
Полупроводники объединяют обширный класс материалов с удельным объемным сопротивлением 108—10"6 Ом ¦ м. Наибольшее применение нашли кремний Si и германий Ge. Рассмотрим основные процессы в полупроводниковых материалах на основе их идеализированных моделей.
В электронной структуре идеального кристалла кремния из IV группы Периодической системы элементов Д.И.Менделеева каждый из четырех валентных электронов любого атома образует связанную пару (валентную связь) с такими же валентными электронами четырех соединений атомов. Если на атомы кремния не действуют внешние источники энергии, например свет, теплота, способные нарушить его электронную структуру, то все атомы электрически нейтральны. Такой идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток.
Однако электрические свойства идеального кристалла кремния существенно изменяются при добавлении в него примесей других химических элементов. В качестве примесей применяются обычно элементы либо из V (сурьма Sb, фосфор Р), либо из III (галлий Ga, индий In) группы Периодической системы.
В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв элект-
303
рон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электрической проводимостью, или полупроводником п-типа, а соответствующая примесь — донорной. Нарис. 13.1 приведено условное изображение идеального полупроводника я-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон — знаком минус.
Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется дырка Для формирования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Атом индия захватывает один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки перемещается электрон из соседней валентной связи и т.д. Этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электрической проводимостью, или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь — акцепторной. На рис. 13.2 приведено условное изображение идеального полупроводника /ьтипа.
Хотя в обоих рассмотренных выше процессах участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения.
Свободные электроны и дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи. Разрыв одной валентной связи в электрически нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары «электрон—дырка», изображенной условно на рис. 13.3. Этот процесс называется генерацией, или термогенерацией, если источником энергии служит тепловая энергия. Одновре-
Свободный электрон
©00©
Qx © © ©
Неподвижный + ион Рис. 13.1
Свободная дырка
O о о о
+ + + +
Неподвижный - ион Рис. 13.2
Пара «электрон—дырка» Рис. 13.3
304
і менно протекает и обратный процесс — рекомбинация, т. е. восста-I новление валентной связи при встрече электрона и дырки.
Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донорной, так и акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников я-типа свободные электроны называются основными, а дырки — неосновными носителями зарядов. Для полупроводника /т-типа основными носителями зарядов служат дырки, а неосновными — электроны. В дальнейшем эти заряды будем называть основными и неосновными носителями. Концентрация основных носителей, т.е. их число в 1 см3, обычно значительно превышает концентрацию неосновных носителей.
