Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 1 глава

Электронные приборы – это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твёрдом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме.

Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.

Само название «электронные приборы» указывает на то, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо за счёт движения электронов, либо при их непосредственном участии. Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.

Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, роду рабочей среды и т.д.

В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.

Электропреобразовательные приборы представляют самую большую группу электронных приборов. К ним относят различные типы диодов и транзисторов, тиристоры, газоразрядные, электровакуумные приборы.

К электросветовым относят светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, электронно-лучевые трубки.

К фотоэлектрическим – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные батареи.

К термоэлектрическим – полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы.

Акустоэлектрические усилители, генераторы, фильтры, линии задержки на поверхностных акустических волнах относятся к акустическим приборам.

В последнее время на стыке электроники и оптики сформировалась новая область техники – оптоэлектроника, привлекающая для решения задач формирования, хранения и обработки сигналов методы электроники и оптики. В данном пособии рассматриваются простейшие оптоэлектронные приборы, их устройство и применение. Успешно разрабатываются также приборы для отображения информации.

По виду рабочей среды различают следующие классы приборов: полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные, хемотронные (рабочая среда – жидкость).

В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.

По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.

1.2. Режимы и параметры электронных приборов

Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы. Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами.

Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом. Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т.д.

Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим.

Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.

История создания электронных приборов базируется на открытиях и исследованиях физических явлений, связанных с взаимодействием свободных электронов с электромагнитными полями и веществом.

Работы как отечественных, так и зарубежных учёных в течение XIX в. создали фундамент электроники. На его основе в 1873 г. русский инженер
А.Н. Лодыгин изобрёл первый электровакуумный прибор – лампу накаливания. В 1904 г. английский учёный Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод. В 1907 г. появилась первая усилительная электронная лампа – триод, которую изготовил Ли де Форест (США). Большое влияние на развитие электроники оказали работы А.Г. Столетова, А.С. Попова, К.Ф. Брауна, Д. Томсона, О.У. Ричардсона, А. Эйнштейна и др., выполненные в XIX-XX вв.

В 1907 г. русский учёный Б.Л. Розинг предложил использовать электронно-лучевую трубку для воссоздания изображений. Важный вклад в развитие отечественной электроники внесли русские учёные В.И. Коваленков, А.Д. Папалекси, М.А. Бонч-Бруевич, О.В. Лосев и др.

Существенное влияние на развитие электронных приборов оказали работы школы академика А.Ф. Иоффе в 30-40 гг. XX в. В последующем на их основе были изобретены многие приборы.

В 1948г. американскими учёными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли был разработан биполярный транзистор. В 50-е гг. были изобретены полевые транзисторы, солнечные батареи, оптроны, туннельные диоды, тиристоры и др.

Появление в 1960 г. первых интегральных схем положило начало развитию микроэлектроники.

Освоение диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) привело к созданию ряда новых как электровакуумных, так и полупроводниковых приборов. Среди них клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), лавинно-пролётные диоды, диоды Ганна и др.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

2.1. Физические явления в полупроводниках

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Основные свойства полупроводников, резко отличающие их от проводников, следующие:

– характер и степень зависимости электропроводности от температуры;

– сильное влияние малых количеств примесей на электропроводность полупроводников;

– чувствительность электропроводности к различного рода излучениям.

Значения удельной проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Класс вещества	Удельная электрическая проводимость,	Удельное электрическое сопротивление,
Проводники	104	<10-4
Полупроводники	104–10-10	10-4–1010
Диэлектрики	<10-10	>1010

Полупроводники представляют собой наиболее многочисленный класс веществ. Для создания современных полупроводниковых приборов применяются кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Te, соединения A^IIIB^V (элементы третьей и пятой групп), арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs и др.

Основные параметры германия, кремния и арсенида галлия (при температуре 300 K) представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Одним из наиболее детально изученных материалов является германий, открытый в 1886 г. немецким химиком Клеменсом Винклером. Содержание германия в земной коре составляет 7∙10^-4 %. Кремний как полупроводник начал внедряться в технику примерно в то же время, что и германий, однако вследствие большой сложности очистки и получения монокристаллов кремния целый ряд полупроводниковых приборов был разработан вначале из германия и только впоследствии приборы на кремниевых полупроводниках получают всё более широкое распространение. К тому же кремний является одним из наиболее распространённых элементов. Земная кора содержит примерно 28 % кремния.

Применяемые в электронике полупроводники имеют монокристаллическую решётку. Каждый атом кристаллической решётки за счёт ковалентных связей прочно удерживается в узлах кристаллической решётки. В идеальной решётке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако небольшие энергетические воздействия могут привести к отрыву некоторых электронов от своих атомов, делая их способными перемещаться по кристаллической решётке. Такие электроны называются электронами проводимости. Энергетические состояния электронов проводимости образуют зону значений (уровней) энергии, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов образуют валентную зону. Между максимальным уровнем энергии валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит запрещённая зона. Ширина запрещённой зоны определяет минимальную энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т.е. энергию ионизации атома полупроводника. Ширина запрещённой зоны для большинства полупроводников составляет 0,1 – 3 эВ. В частности, для германия = 0,72 эВ, для кремния = 1,12 эВ, для арсенида галлия .

Энергетические диаграммы собственного полупроводника и примесных полупроводников n- и p-типа представлены на рис. 2.1 а, б, в соответственно.

б

в

б

а

ааа

Рис. 2.1

Полупроводник, имеющий в узлах кристаллической решётки только свои атомы, называют собственным. Все величины, относящиеся к нему, обозначают индексом i (от – собственный). Применяемые в электронике полупроводники являются примесными. У них часть атомов основного вещества замещена атомами другого вещества. Для германия и кремния используются пятивалентные (фосфор, сурьма, мышьяк) и трёхвалентные (бор, алюминий, галлий) примеси.

При внесении пятивалентной примеси четыре валентных электрона совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый электрон, благодаря малой энергии ионизации , даже при комнатной температуре может быть оторван от своего атома за счёт энергии теплового движения. При этом образуется неподвижный положительный заряд и электрон проводимости. Такие примеси называют донорными (см. рис. 2.1, б).

При введении примеси трёхвалентных элементов примесный атом отдаёт три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. На незаполненную связь с четвёртым атомом могут легко переходить электроны с соседних связей. При этом примесный атом с присоединённым лишним электроном образует неподвижный отрицательный заряд; кроме того, образуется дырка, способная перемещаться по решётке. Такие примеси называются акцепторными (см. рис. 2.1, в). Донорные и акцепторные примеси образуют локальные энергетические уровни, лежащие в запрещённой зоне.

Вероятность нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии W определяется функцией Ферми-Дирака:

, (2.1)

где – уровень Ферми, вероятность заполнения которого равна ;

– средняя энергия теплового движения микрочастицы при температуре T.

Для собственного полупроводника уровень Ферми располагается посередине запрещённой зоны . (2.2)

Концентрацию электронов проводимости для собственного полупроводника можно рассчитать по формуле

, (2.3)

где – число энергетических уровней, на которых могут находиться электроны проводимости, или

, (2.4)

где – эффективная плотность состояний в зоне проводимости ( для германия, для кремния).

Можно считать, что при число свободных электронов в германии , в кремнии .

В идеальной кристаллической решётке собственного полупроводника число дырок равно числу свободных электронов:

. (2.5)

Это является результатом динамического равновесия генерации и рекомбинации подвижных носителей заряда. Число исчезающих в единицу времени электронно-дырочных пар характеризуется скоростью рекомбинации, которая зависит от свойств полупроводника и пропорциональна концентрации электронов и дырок:

, (2.6)

где – коэффициент рекомбинации, зависящий от свойств полупроводника.

Скорость генерации – число освобождающихся в единицу времени электронно-дырочных пар зависит от ширины запрещённой зоны и температуры полупроводника.

. (2.7)

В полупроводниках с донорной примесью концентрация электронов проводимости

, (2.8)

обычно , и можно считать

. (2.9)

Так как ;

, отсюда

, (2.10)

т.е. концентрация дырок значительно ниже, чем в беспримесном полупроводнике. В этом случае дырки являются неосновными носителями, а электроны – основными носителями заряда.

Полупроводники с донорной примесью называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа.

Уровень Ферми для полупроводника n-типа имеет вид

, (2.11)

где – уровень доноров.

С повышением температуры он смещается к середине запрещённой зоны.

В случае полупроводника с акцепторной примесью концентрация дырок :

. (2.12)

Обычно и .

Концентрация электронов :

. (2.13)

Электроны в этом случае являются неосновными носителями заряда, дырки – основными носителями, а полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным, или полупроводником p-типа.

Положение уровня Ферми в таком случае определяется соотношением

, (2.14)

где – уровень акцепторов;

– эффективная плотность состояний в валентной зоне.

С повышением температуры он смещается к середине запрещённой зоны.

Под влиянием различных энергетических воздействий в полупроводнике может возникнуть неравновесная концентрация зарядов. Образование неравновесных (избыточных) носителей заряда может происходить при освещении полупроводника, в результате чего появляются дополнительные электронно-дырочные пары. В полупроводниковых диодах и транзисторах при прохождении тока образуются неравновесные носители заряда. Процесс рекомбинации электронов и дырок может происходить либо прямым путём – из зоны в зону, либо через локальные энергетические уровни в запрещённой зоне, называемые центрами рекомбинации, или ловушками (рис. 2.2).

Центры рекомбинации (А, Б) создаются примесями, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещённой зоны полупроводника. К ним относятся медь, никель, кобальт, золото. Центры рекомбинации могут создаваться также дефектами кристаллической решётки.

2.2. Токи в полупроводниках

Дрейфовый ток

При наличии электрического поля на хаотическое движение электронов и дырок накладывается компонента направленного движения. В результате электроны и дырки начинают перемещаться – возникает дрейфовый ток. Плотность дрейфового тока пропорциональна концентрации носителей, подвижности и напряжённости поля E:

; (2.15)

, (2.16)

где , – подвижности электронов и дырок.

Суммарная плотность дрейфового тока равна:

, (2.17)

, (2.18)

где σ – удельная электрическая проводимость полупроводника, См/см.

У германия , ; у кремния – , .

Зависимость удельной электрической проводимости от температуры представлена на рис. 2.3.

При низкой температуре концентрация электронов и дырок определяется в основном концентрацией примеси и слабо зависит от температуры. С ростом температуры удельная проводимость несколько уменьшается за счёт уменьшения подвижности носителей заряда.

При высокой температуре начинается ионизация собственных атомов полупроводника, поэтому концентрация носителей, а следовательно, и проводимость полупроводника возрастает.

При прохождении дрейфового тока через однородный полупроводник концентрация носителей заряда в любом элементарном объёме остаётся постоянной.

Диффузионный ток

Если концентрация подвижных носителей в различных точках неодинакова, в полупроводнике в соответствии с законами теплового движения возникает диффузия частиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. В результате этого в полупроводнике возникает электрический ток, обусловленный градиентом (перепадом) концентрации носителей, называемый диффузионным током.

Плотность диффузионного тока дырок в одномерном случае

, (2.19)

где – коэффициент диффузии дырок, равный для германия , для кремния – . Знак «минус» указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок; – градиент концентрации дырок.

Плотность диффузионного тока электронов определяется аналогично:

, (2.20)

где – коэффициент диффузии электронов, равный для германия и – для кремния; – градиент концентрации электронов.

Принято считать, что диффузионный ток направлен в сторону увеличения концентрации электронов, поэтому он берётся со знаком «плюс».

В полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда ток в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие:

; (2.21)

. (2.22)

Параметры дрейфового и диффузионного токов связаны между собой соотношениями Эйнштейна:

; , (2.23)

где – температурный потенциал.

2.3. Уравнение непрерывности

Уравнение непрерывности является одним из основных уравнений, используемых при анализе и расчёте электрических параметров и характеристик полупроводниковых приборов. В нём учитывается дрейфовое и диффузионное движение свободных носителей в полупроводнике, а также их рекомбинация или генерация. Концентрация носителей заряда в элементарном объёме полупроводника может изменяться за счёт генерации и рекомбинации носителей, а также вследствие различия в величине втекающего и вытекающего токов. Скорость изменения концентрации носителей в рассматриваемом объёме может быть скоростью рекомбинации и скоростью изменения концентрации носителей заряда за счёт различия в величине втекающего и вытекающего токов :

. (2.24)

Скорость рекомбинации дырок , (2.25)

где – превышение над равновесной концентрацией дырок, а τ – время жизни неосновных носителей.

Скорость изменения концентрации носителей можно определить, зная плотность тока в полупроводнике:

. (2.26)

Полная скорость изменения концентрации дырок в элементарном объёме будет равна

. (2.27)

Это выражение называется уравнением непрерывности.

Аналогичное уравнение можно написать и для электронов:

, (2.28)

где и – время жизни неосновных носителей.

2.4. Электрические переходы в полупроводниковых приборах

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твёрдого тела с различными типами или значениями проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n- и p-типа, называемый электронно-дырочным переходом, или p-n - переходом. Используются также переходы между областями с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости (n⁺‑n; p⁺‑p). Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси.

Широкое применение получили переходы металл-полупроводник. Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы).

Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах. Физические процессы в переходах лежат в основе действия большинства полупроводниковых приборов.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход получается путём легирования примесями части монокристалла. Легирование осуществляется путём диффузии атомов

а

примеси из внешней среды при высокой температуре, ионным внедрением при бомбардировке кристалла пучком ионов примесей, ускоренных в электрическом поле, вплавлением в полупроводник металла, содержащего нужные примеси, а также методом эпитаксии – наращиванием на поверхность кристалла-подложки тонкой плёнки полупроводника с противоположным типом проводимости. Переходы металл-полупроводник формируются вакуумным напылением тонкой металлической плёнки на очищенную поверхность полупроводника.