ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Захвалинский В.С. Белгород 2006г. - презентация

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Захвалинский В.С. Белгород 2006г.

2 2 Общие сведения по дисциплине Название Физические основы электроники Читается для специальностей Сети связи и системы коммутации и Радиосвязь, радиовещание и телевидение Важность изучения дисциплины курс Физических основ электроники создает основу для изучения специальных предметов, обязательных для изучения студентами специальностей Сети связи и системы коммутации и Радиосвязь, радиовещание и телевидение. Сфера профессионального использования

3 3 Краткое описание дисциплины Современная электроника развивается в наши дни по нескольким направлениям. Первое направление это – интегральная электроника или микроэлектроника. Второе направление – функциональная электроника. Эти направления взаимно дополняют и обогащают друг друга. Охватывая широкий круг научных, технических и производственных проблем электроника опирается на достижения в различных областях знаний. Курс физических основ электроники включает в себя разделы физики описывающие эффекты и явления используемые при конструировании электронных приборов. Основу курса составляет физика твердого тела с привлечением элементов кристаллографии и квантовой механики. В своем историческом развитии электроника прошла несколько периодов. Поэтому внимание уделяется физике протекания электрического тока в газе и вакууме. Основное внимание уделено свойствам полупроводников и p-n перехода на их основе. Данный курс должен послужить базой для изучения дискретной электроники, микроэлектроники и функциональной электроники тесно связанной в последнее время с наноэлектроникой.

4 4 Цели и задачи преподавания дисциплины Целью изучения дисциплины является формирование у студентов теоретической базы для изучения электроники, микроэлектроники и других радиотехнических дисциплин. Задачи Основные задачи изучения дисциплины: 1) сообщить студентам базовый комплекс знаний, необходимых для понимания принципов работы компонентов электронных устройств и систем. Особенностью курса является изложение материала в краткой форме.

5 5 Место дисциплины среди смежных дисциплин Предмет Физические основы электроники органично продолжает изученные ранее студентами разделы физики: Колебания и волны, Электричество, курс физики изученный в средней школе. Он создает основу для изучения специальных предметов, обязательных для изучения студентами специальностей Сети связи и системы коммутации и Радиосвязь, радиовещание и телевидение.

6 6 Начальные знания Для понимания и усвоения материала изложенного в курсе Физические основы электроники необходимо знание школьных курсов физики, химии и математики, а также курсов Колебания и волны, Электричество.

7 7 Итоговые знания, умения и навыки После изучения дисциплины студенты должны : Усвоить физические принципы лежащие в основе работы электронных приборов.

8 8 Содержание лекционного курса Тема 1. Твердое тело. Кристаллическая решетка. Симметрия и классификация кристаллов. Дефекты в кристаллах 7 Тема Тема 1. Твердое тело. Кристаллическая решетка. Симметрия и классификация кристаллов. Дефекты в кристаллах Твердое тело (конденсированное состояние) Типы связей в твердом теле. Природа сил взаимодействия в твердом теле. Кристалл Геометрия кристаллической решетки. Трансляция.Элементарная ячейка. Элементы симметрии Классы симметрии. Решетка Браве Классификация кристаллов по типу связей Символические обозначения плоскостей и направлений в кристаллах. Индексы Миллера Дефекты в кристаллах 17 Вопросы для повторения 19 Тема 2. Элементы зонной теории твердого тела Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики. Элементы зонной теории. Энергия Ферми Четыре типа энергетических (зонных) диаграмм твердого тела 23 Вопросы для повторения 25

9 9 Тема 3. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и рекомбинация зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда. Примесный полупроводник Полупроводники Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда в полупроводниках Энергия Ферми Генерация и рекомбинация носителей зарядов Собственная проводимость полупроводника. Уровень Ферми в собственном полупроводнике. Эффективная масса носителей заряда Примесные полупроводники Примесные уровни Примесная проводимость полупроводников Полупроводник р-типа Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле 40

10 Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике 44 Вопросы для повторения 47 Тема 4. Свойства электронов. Работа выхода электронов. Движение электронов в электрических и магнитных полях Свойства электронов Работа выхода электронов и влияние адсорбционных слоев на работу выхода Работа выхода электронов Влияние адсорбционных слоев на работу выхода Движение электронов в электрических и магнитных полях Электрон в электрическом поле Электрон в магнитном поле 56 Вопросы для повторения 58

11 11 Тема 5. Электронный газ в проводнике. Вырожденный и невырожденный электронный газ. Электропроводность чистых металлов и сплавов. Электропроводность полупроводников в силь ных электрических полях Равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля Электропроводность невырожденного и вырожденного газов Невырожденный газ Вырожденный газ Зависимость подвижности носителей заряда от температуры Область высоких температур Область низких температур Электропроводность чистых металлов Проводимость электронных металлов Электропроводность металлических сплавов Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях. Эффект Ганна 68 Вопросы для повторения 71

12 12 Тема 6. Эффект Холла Эффект Холла Эффект Холла в полупроводнике Эффект Холла в полупроводниках с двумя типами носителей заряда 78 Вопросы для повторения 78 Тема 7. Контактные явления. Математическая модель p-n перехода Контакт двух металлов Контактная разность потенциалов Толщина двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта двух металлов Контакт электронного и дырочного полупроводников (p–n переход) 82 Вопросы для повторения 88 Тема 8. Свойства p-n перехода p-n переход в условиях термодинамического равновесия Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения Обратное включение p-n перехода 92

13 Вольтамперная характеристика p-n перехода Температурные и частотные свойства p-n перехода Туннельный эффект 98 Вопросы для повторения 101 Тема 9. Контакт металл – полупроводник. Гетеропереходы. Поверхностные явления в полупроводнике Контакт металл– полупроводник. Переход Шоттки Поверхностные явления в полупроводниках Гетеропереходы Идеальный р-n переход n + – n и p + – p переходы Омический переход 112 Вопросы для повторения 113 Тема 10. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках Фотопроводимость в полупроводниках Фоторезистивный эффект Фотоэффект в р-п переходе Электромагнитное излучение в полупроводниках 118

14 Электромагнитное излучение в полупроводниках Лазеры Конструкция и изготовление инжекционных лазеров Основные характеристики и параметры лазеров 125 Вопросы для повторения 127 Тема 11. Термоэлектрические явления Термоэлектрические явления Эффект Зеебека Эффект Пельтье Эффект Томсона Применение термоэлектричества Применение металлических термобатарей и термопар Полупроводниковые термоэлектрические приборы Холодильники и тепловые насосы Термоэлектрическое охлаждающее устройство (ТОУ) Использование принципа полупроводникового теплового насоса 135 Вопросы для повторения 136

15 15 Тема 12. Электрический ток в газах и вакууме Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды Ионизация газа Несамостоятельный разряд Самостоятельный разряд Типы самостоятельного разряда Понятие о плазме Электрический ток в вакууме Вакуум. Термоэлектронная эмиссия Электронные лампы Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка 149 Вопросы для повторения 150 Приложение к Теме Приложение к теме 7 153

16 16 Тема 1. Твердое тело. Кристаллическая решетка. Симметрия и классификация кристаллов. Дефекты в кристаллах. Ознакомление с понятием твердого тела (конденсированное состояние), с типами связей в твердом теле, природой сил взаимодействия в твердом теле. И понятием кристалла. Ознакомление с основами кристаллографии, а именно с геометрия кристаллической решетки, трансляцией, элементарной ячейкой. Дано определение элементов симметрии, классов симметрии, решетки Браве. Классификация кристаллов по типу связей. Символические обозначения плоскостей и направлений в кристаллах. Индексы Миллера. Дефекты в кристаллах.

17 17 Тема 2. Элементы зонной теории твердого тела. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики. Элементы зонной теории. Энергия Ферми. Четыре типа энергетических (зонных) диаграмм твердого тела.

18 18 Тема 3. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и рекомбинация зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда. Примесный полупроводник. Полупроводники. Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда в полупроводниках. Энергия Ферми. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Собственная проводимость полупроводника. Уровень Ферми в собственном полупроводнике. Эффективная масса носителей заряда. Примесные полупроводники. Примесные уровни. Примесная проводимость полупроводников. Полупроводник р-типа.Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике.

19 19 Тема 4. Свойства электронов. Работа выхода электронов. Движение электронов в электрических и магнитных полях. Свойства электронов. Работа выхода электронов и влияние адсорбционных слоев на работу выхода.Работа выхода электронов. Движение электронов в электрических и магнитных полях. Электрон в электрическом поле. Электрон в магнитном поле.

20 20 Тема 5. Электронный газ в проводнике. Вырожденный и невырожденный электронный газ. Электропроводность чистых металлов и сплавов. Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях. Равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля.Электропроводность невырожденного и вырожденного газов. Невырожденный газ. Вырожденный газ.Зависимость подвижности носителей заряда от температуры. Область высоких температур. Область низких температур. Электропроводность чистых металлов. Проводимость электронных металлов. Электропроводность металлических сплавов. Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях. Эффект Ганна.

21 21 Тема 6. Эффект Холла. Эффект Холла. Эффект Холла в полупроводнике. Угол Холла, поле Холла. Коэффициент Холла для полупроводников с одним и двумя типами носителей. Коэффициент Холла для собственного полупроводника, в вырожденных и не вырожденных полупроводниках. Холл фактор.

22 22 Тема 7. Контактные явления. Математическая модель p- n перехода. Контакт двух металлов.Контактная разность потенциалов Толщина двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта двух металлов. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p–n переход).

23 23 Тема 8. Свойства p-n перехода. p-n переход в условиях термодинамического равновесия. Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения. Обратное включение p-n перехода. Вольтамперная характеристика p-n перехода. Температурные и частотные свойства p-n перехода. Туннельный эффект.

24 24 Тема 9. Контакт металл – полупроводник. Гетеропереходы. Поверхностные явления в полупроводнике. Контакт металл – полупроводник. Переход Шоттки. Поверхностные явления в полупроводниках.Гетеропереходы.Идеальный р-n переход. n + – n и p + – p переходы.Омический переход.

25 25 Тема 10. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Фотопроводимость в полупроводниках. Фоторезистивный эффект. Фотоэффект в р-п переходе. Электромагнитное излучение в полупроводниках. Лазеры. Конструкция и изготовление инжекционных лазеров. Основные характеристики и параметры лазеров.

26 26 Тема 11. Термоэлектрические явления. Термоэлектрические явления. Эффект Зеебека. Эффект Пельтье Эффект Томсона. Применение термоэлектричества. Применение металлических термобатарей и термопар. Полупроводниковые термоэлектрические приборы. Холодильники и тепловые насосы. Термоэлектрическое охлаждающее устройство (ТОУ). Использование принципа полупроводникового теплового насоса.

27 27 Тема 12. Электрический ток в газах и вакууме. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Ионизация газа Несамостоятельный разряд. Самостоятельный разряд. Типы самостоятельного разряда. Понятие о плазме. Электрический ток в вакууме. Вакуум. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы. Электронные пучки. Электронно- лучевая трубка.

28 28 Контрольные мероприятия Промежуточный тест 1 Промежуточный тест 2 Итоговый контроль Итоговый тест Зачет

29 29 Глоссарий Аморфные вещества С термодинамической точки зрения аморфное ТТ находится в метастабильном состоянии и со временем должно закристаллизоваться. Аморфные вещества ведут себя как жидкости с аномально высокой вязкостью. К ним относятся стекла, пластмассы и смолы, При повышении температуры они постепенно размягчаются и приобретают способность течь, как жидкости [§1.1].

30 30 Анизотропия Неодинаковость свойств кристалла в разных направлениях, которая является результатом его симметрии и внутреннего строения[§1.1]. Акцепторные уровни Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа; часто их называют акцепторными полупроводниками. [§ 3.6.1].

31 31 Адсорбционнй слой См. [§ 4.2.2]. Барьерная емкость При обратном напряжении, приложенном к p-n переходу, носители зарядов обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало. Таким образом, в режиме обратного напряжения p-n переход представляет собой емкость. Эту емкость называют барьерной (С б ). [§ 8.5].

32 32 Ван-дер-ваальсовские связи Силы взаимодействия в таких кристаллах определяются наличием у молекул естественных или индуцированных электрических моментов [§ 1.3]. Валентная зона При сближении атомов на расстояние примерно 10 –8 см., будет происходить перекрытие волновых функций атомарных электронов. Благодаря этому энергетический уровень валентных электронов превращается в зону. Эта зона носит название валентной [§ 2.1].

33 33 Водородная связь В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда[§1.1]. Вольтамперная характеристика p-n перехода См. [§8.4].

34 34 Время жизни носителей Среднее время существования носителей заряда в полупроводнике обычно называют временем жизни носителей [ § 3.8]. Вырожденный газ В вырожденном газе в формировании электропроводности могут участвовать не все свободные электроны, а лишь те из них, которые располагаются непосредственно у уровня Ферми.[§ 5.2.2].

35 35 Генерация носителей заряда Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация ) и других энергетических факторов [§ 3.4]. Гетеропереход Гетеропереходом называют переход, образующийся на границе контакта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. [§ 9.3].

36 36 Дефекты в кристалле Нарушения периодичности решетки, которые не сводятся к тепловым движениям, называются дефектами [§ 1.7]. Дефекты по Шоттки В реальных кристаллах некоторые узлы кристаллической решетки, в которых должны находиться атомы, оказываются незанятыми [§ 1.7]. Дефекты по Френкелю Они возникают в том случае, когда атом покидает свое место в узле кристаллической решетки и размещается в междоузлии в окружении атомов, расположенных на своих законных местах [§ 1.7].

37 37 Дислокации Этот вид дефектов возникает в случае, когда между атомными плоскостями вклинивается неполная дополнительная атомная плоскость [§ 1.7]. Дырка Вакантное место в ковалентной связи получило название дырки. Незавершенная связь будет иметь избыточный положительный заряд равный по величине заряду электрона [§ 3.2].

38 38 Донорные уровни Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п-типа; часто их называют также донорными полупроводниками [§3.6.1]. Дрейфовый ток Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока.[ § 3.8].

39 39 Диффузионный ток Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным бездрейфовым током. [ § 3.8]. Диффузионная длина Среднее расстояние, которое проходят за время жизни носители, называют диффузионной длиной носителей заряда.[3.8].

40 40 Двойной электрический слой Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным электрическим слоем.[4.2.1]. Запрещенная зона Зоны дозволенных энергий отделены друг от друга интервалом, называемым запрещенной зоной или энергетической щелью [§ 2.1].

41 41 Зона проводимости Если же в самой верхней занятой, но не полной зоне, имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны, то они образуют так называемую зону проводимости [§ 2.1]. Ионные кристаллы Ионные кристаллы (NaСl, KC1 и др.) характерны тем, что силы притяжения, действующие между ионами - электростатические. [§1.1].

42 42 Индексы Миллеры В кристаллографии принято пользоваться для обозначения плоскостей особыми индексами Миллера.[ § 1.6]. Инжекционный лазер См. [§10.6]. Инверсия населенностей Инверсия населенностей – соотношение между населенностями разных энергетических уровней атомов или молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем. [§10.5].

43 43 Кристалл Кристалл, представляет собой совокупность атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия. Структурными единицами ТТ служат атомы, молекулы или ионы. Термодинамически устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией, с повышением температуры, по достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, они скачком переходят в жидкое состояние. Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. [§1.1].

44 44 Ковалентный кристалл В ковалентных кристаллах (алмаз, Ge, Si и др.) валентные электроны соседних атомов обобществлены, поэтому ковалентный кристалл можно рассматривать как одну огромную молекулу [§1.1]. Класс симметрии В кристаллографии показано, что существуют всего 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций называется классом симметрии. В природе существуют только кристаллы, относящиеся к одному из 32 классов симметрии [§ 1.3].

45 45 Коэффициент Холла См.[§ 6.1.1]. Контактная разность потенциалов См. [§ 7.1.1]. Когерентность Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени, или же два идеальных монохроматических колебания имеют одну и ту же частоту, то такие колебания называются когерентными. [§10.5].

46 46 Лазеры Вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным, а излучатели таких волн получили название лазеров (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет индуцированного излучения). [§10.4]. Металлическая связь В металлических кристаллах связь (металлическая связь) обусловлена коллективным взаимодействием подвижных электронов с остовом кристаллической решетки. Для переходных металлов характерна также ковалентная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутренних оболочек [§1.1].

47 47 Молекулярные кристаллы В молекулярных кристаллах молекулы связаны между собой относительно слабыми электростатическими силами ( ван-дер-ваальсовы силы ) обусловленными динамической поляризацией молекул [§1.1]. Неравновесная концентрация Если с помощью какого либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. [§3.8].

48 48 Невырожденный газ В случае невырожденного газа плотность заполнения зоны проводимости электронами на столько небольшая, что они практически никогда не встречаются так близко, что бы их поведение могло ограничиваться принципом Паули.[§ 5.2.1, § 5.2.2]. Несамостоятельный газовый разряд Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.

49 49 Ось симметрии Если кристалл обладает осью симметрии (поворотной осью), то он может быть совмещен сам с собой, т.е. приведен в положение неотличимое от исходного, путем поворота на некоторый угол вокруг этой оси. В зависимости от симметрии кристалла величина угла поворота, необходимого для совмещения кристалла с самим собой, может составлять 360, 180, 120, 90, 60 градусов. (2п / п, где n = 1, 2, 3, 4 или 6) [§ 1.3].

50 50 Основные носители Электроны, составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках п-типа, называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.. И на оборот, дырки составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках p- типа, называют основными носителями заряда, а электроны– неосновными. [§ 3.6.2, § 3.6.3].

51 51 Омический переход Контакт, электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном рабочем диапазоне токов. [§9.3.3]. Период трансляции Трансляция а представлена вектором, имеющим определенное направление и численное значение, равное а, называемое периодом трансляции [§1.3].

52 52 Плоскость симметрии Если одна половина кристалла совмещается с другой при отражении в некоторой плоскости, как в зеркале, то такая плоскость называется плоскостью симметрии [§ 1.3]. Поворотно-зеркальная ось К этому элементу симметрии приводит одновременное применение двух операций: поворота вокруг оси и зеркального отражения в плоскости, перпендикулярной оси [§ 1.3].

53 53 Полупроводники Полупроводники, широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, по её удельному значению занимающих про-межуточное положение между металлами ( Ом -1 см -1 ) и хорошими диэлектриками ( Ом -1 см - 1 ) (интервалы значений указаны при комнатной температуре) [§ 3.1].

54 54 Примесный полупроводник Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а его электропроводность обусловленную наличием в кристалле примесей- примесной [§ 3.6.1]. Полупроводник n-типа См. Донорные уровни. [§ 3.6.1]. Полупроводник p-типа См. Акцепторные уровни [§ 3.6.1].[ § 3.6.3]. Примесная проводимость Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной [§ 3.6.2].

55 55 Переход Шоттки Выпрямляющий контакт металл – полупроводник п-типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда. [§9.1].

56 56 Поверхностные явления в полупроводниках Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла вызванные нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за поверхностных атомов ; искажением потенциала решетки из-за возможных поверхностных дефектов структуры кристалла. [§9.2].

57 57 Поверхностный потенциал Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля из-за наличия зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом[§9.2].

58 58 Пробой Туннельный пробой основан на изученном нами туннельном эффекте – когда электроны проходят через потенциальный барьер р-п- перехода, не изменяя своей энергии. Лавинный пробой Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в р-п- переходе. Двигаясь с большой скоростью в области р-п- перехода они сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их.

59 59 Тепловой пробой. Электрический и тепловой пробой во многих случаях происходят одновременно. Во время электрического пробоя полупроводник разогревается и затем происходит тепловой пробой. Тепловая генерация пар электрон – дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока, а увеличение тока, приводит в свою очередь к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно. При чрезмерном разогреве кристалла, р-п- переход необратимо выходит из строя.

60 60 Работа выхода Работой выхода называется работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов φ 0.[§ 4.2.1]. Рекомбинация носителей заряд Процесс превращения свободного электрона в связанный электрон и исчезновение пары носителей заряда (электрон-дырка) носит название рекомбинации.

61 61 Силы взаимодействия Природа сил взаимодействия между атомами в кристаллах хорошо известна. Это – электрические силы отталкивания и притяжения положительно и отрицательно заряженных частиц, имеющихся в каждом атоме. [§1.1].

62 62 Сингония В кристаллографии принято объединять 32 класса симметрии в 7 систем симметрии или 7 сингоний, которые носят следующие названия в порядке возрастания симметрии триклинная система, включающая два класса симметрии, тригональная система, объединяющая семь классов, моноклинная система, куда входят три класса, гексагональная система - пять классов, ромбическая, также с тремя классами, тетрагональная система с семью классами, кубическая система [§ 1.3]. [§ 1.3].

63 63 Собственный полупроводник Полупроводник будет являться собственным, если влияние примесей на его свойства пренебрежимо мало. В нем свободные носители заряда возникают только за счет разрыва валентных связей [§ 3.2]. Стимулированно е излучение Может возникнуть процесс, при котором все возбужденные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что генерируемые фотоны абсолютно неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным [§10.4.].

64 64 Термопара См. [§11.2.1]. Термоэлемент См. [§ ]. Термоэлектрические явления См. [§10.1.1]. Трансляция Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. С геометрической точки зрения такую структуру можно создать с помощью операции параллельного смещения, которая называется трансляцией [§1.3].

65 65 Твердое тело Твердым телом (ТТ) называют такое агрегатное состояние вещества, которое характеризуется постоянством формы рассматриваемой макросистемы и особым характером теплового движения атомов, составляющих макросистему. Различают кристаллические и аморфные ТТ. Термодинами-чески устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией[§1.1].

66 66 Трансляционная группа Положение любой точки в пространственной решетке определяться комбинацией перемещений ma+nb+pc.Комбинация трех векторов а,b,с называется трансляционной группой [§1.3]. Тепловой пробой p-n перехода Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации не основных носителей заряда и к росту обратного тока. [§8.4].

67 67 Туннельный эффект Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. [§8.6]. Фотопроводимость полупроводников Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. [§ 10.1].

68 68 Фоторезистивный эффект Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. [§10.2]. Центр симметрии Если в кристалле существует точка, обладающая тем свойством, что при замене радиуса-вектора r, любой из частиц, составляющих кристалл на обратный ему вектор -r, кристалл переходит в состояние, неотличимое от исходного, то эта точка называется центром симметрии или центром инверсии [§ 1.3].

69 69 Экстракция носителей заряда Для не основных носителей (дырок в n - области и электронов в р - области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует, и они будут втягиваться полем в области p-n перехода. Это явление называется экстракцией. [§ 8.2]. Элементарная ячейка Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях а, в, с, называется элементарным параллелепипедом или элементарной ячейкой.[ §1.3].

70 70 Элементы симметрии плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии[ §1.3]. Электрохимический потенциал Энергия электрохимического потенциала – работа, которую необходимо затратить для изменения числа частиц в системе на единицу при условии постоянства объема и температуры [§ 3.3].

71 71 Электрический пробой p-n перехода Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии ( зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). [§ 8.4]. Электронная эмиссия См. [§ 4.2.2]. Электронно –дырочный переход ( p-n переход). Переход между материалами с электропроводностью n- и p- типа носит название p-n перехода. [§ 7.2].

72 72 Электростатический домен См. Эффект Ганна [§ 5.6]. Энергия Ферми При температуре равной абсолютному нулю Т = 0 К энергия всей атомной системы, в том числе и электронного газа минимальна. Однако при этом наблюдается характерная ситуация, когда электроны, находящиеся на верхних энергетических уровнях, обладают еще достаточно большой энергией, которую они не могут сбросить и перейти на нижние уровни из-за запрета Паули. Энергия электронов, занимающих самый верхний из занятых уровней, обозначается ε макс и называется энергией Ферми [§ 2.1, § 3.3].

73 73 Эффективная масса Влияние на движение электрона в поле периодического кристаллического потенциала ионов и остальных электронов приводит к тому, что свойства носителей тока в кристалле (электронов проводимости и дырок) во многом отличается от свойств электронов в свободном пространстве. А их масса (эффективная масса) может сильно отличаться от массы свободного электрона и зависеть от направления движения [§ 3.5].

74 74 Эффект Ганна См.[§ 5.6]. Эффект Зиннера См.[§ 5.6]. Эффект Зеебека См. [§ ]. Эффект Пельтье См. [§ ]. Эффект Томсона См. [§ ].

75 75 Эффект Холла Явление возникновения в полупроводнике с текущим по нему током поперечного электрического поля под действием магнитного поля называют эффектом Холла. [§ 6.1.1]. Эффект Штарка См.[§ 5.6].

76 76 Список литературы Основная литература 1. Г. И. Епифанов Физика твёрдого тела, М.: Высшая школа,1977, К.В.Шалимова Физика полупроводников, М : Энергоатомиздат,1985, Л.С.Стильбанс Физика полупроводников, М.: Советское радио,1967, М.П. Шаскольская Кристаллография, М.: Высшая школа,1976, В. В. Пасынков Полупроводниковые приборы, М.: Высшая школа,1981.

77 77 6. Ч. Киттель Введение в физику твёрдого тела, М.: Наука, В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. М. Высшая школа, С.Г.Калашников Электричество М.: Фиматлит,2003, Б. С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники, Киев: «Выща школа», А.Ф.Кравченко. Физические основы функциональной электроники, Новосибирск, Издательство Новосибирского Университета, 2000.

78 78 Дополнительная литература 1. А.С. Давыдов Теория твердого тела, М: Наука, 1976, В. Л. Бонч - Бруевич, С.Г. Калашников, Физика полупроводников, М.: Наука, 1977, Л.А. Сена Единицы физических величин и их размерности: М.Наука,1969, Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К., Кокубун Я., Судзуки Т., Исии О., Ёнэдзава С. Основы оптоэлектроники, М: Мир,1988.