Полупроводниковые материалы. Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых). Одним из главных направлений электроники является полупроводниковая электроника.

К полупроводниковым материалам относят Ge-германий, Si-кремний, Se-селен, GaAs-арсенид галлия и ряд других. По своему удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. Границы между ними весьма условны, так как при достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупроводник, а любой чистый полупроводник при весьма низких температурах подобен диэлектрику.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводниковом материале часть электронов разрывает ковалентные связи, образующие кристаллическое состояние материала, и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне (отсутствие электрона) называют дыркой проводимости, которая в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом. Такой процесс образования пар электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар электрон-дырка. После своего появления дырка проводимости под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает некоторую направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Такая проводимость называется собственной, а полупроводник — собственным полупроводником. Эта проводимость обычно невелика и увеличивается с повышением температуры.

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника. В зависимости от типа примесей, вводимых в полупроводник, их разделяют на два типа:

1. Полупроводники р-типа (positive), обладающие положительной проводимостью, обусловленной наличием избыточных положительных зарядов - дырок.

2. Полупроводники п-типа (negative), обладающие отрицательной проводимостью, обусловленной наличием избыточных электронов.

Под действием внешнего электрического поля эти избыточные заряды приобретают направленное движение, образуя ток, называемый дрейфовым.