Міністерство освіти і науки України Національний університет „Львівська політехніка” Кафедра „Комп’ютеризовані системи автоматики” КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ з навчальної дисципліни „Електроніка та мікросхемотехніка” (частина І) для студентів стаціонарної форми навчання напряму „Комп’ютеризовані системи, автоматика і управління” 2008 – Львів НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ, МІКРОЕЛЕКТРОНІКА І СПЕЦІАЛЬНІ НАПРЯМИ ЕЛЕКТРОНІКИ ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ 1.1. ЕЛЕКТРОНИ В ТВЕРДИХ ТІЛАХ Сучасною фізикою доведено, що електрони в твердому тілі не можуть мати довільну енергію. Енергія кожного електрона може приймати лише певні значення, які називають рівнями енергії або енергетичними рівнями. Електрони, розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на більш низьких енергетичних рівнях. Щоб віддалити електрон від ядра, треба подолати їх взаємне тяжіння, а отже, затратити деяку енергію. Тому більш віддалені від ядра електрони мають більшу енергію, тобто знаходяться на більш високих енергетичних рівнях. Коли електрон переходить з більш високого енергетичного рівня на більш низький, то виділяється деяка кількість енергії, яка називається квантом або фотоном. Якщо атом поглинає один квант енергії, то електрон переходить з більш низького енергетичного рівня на більш високий. Таким чином, енергія електронів змінюється тільки квантами, тобто певними порціями. Розподіл електронів за рівнями енергії зображають схематично так, як на рис.1.1. Горизонтальними лініями показані рівні енергії W електрона. Відповідно до так званої зонної теорії твердого тіла енергетичні рівні об'єднуються в зону. Електрони зовнішньої оболонки атома заповнюють ряд енергетичних рівнів, що складають валентну зону. Валентні електрони беруть участь в електричних і хімічних процесах, Більш низькі енергетичні рівні входять до складу інших зон, заповнених електронами (на малюнку не зображені), але ці зони не приймають участі в явищах електропровідності. У металах і напівпровідниках існує велика кількість електронів, що знаходяться на більш високих енергетичних рівнях Ці рівні складають зону провідності. Електрони цієї зони, які називають електронами провідності, здійснюють безладне переміщення всередині тіла, переходячи від одних атомів до інших. Саме електрони провідності забезпечують високу електропровідність металів. Атоми речовини, які віддали електрони в зону провідності, можна розглядати як позитивні іони. Вони розташовуються в певному порядку, утворюючи просторову гратку, або інакше іонну чи кристалічну. Такий стан речовини відповідає рівновазі сил взаємодії між атомами і мінімальному значенню загальної енергії всіх часток тіла. Всередині просторової гратки відбувається безладне переміщення електронів провідності. На рис. 1.1.а) зображена схема рівнів енергії, або зонна енергетична діаграма, для металу. Потрібно зазначити, що насправді схема ця складніша, число рівнів в ній дуже велике і розподілені вони нерівномірно. Можна побудувати діаграму розподілення, визначення електронів за рівнями енергії (рис.1.2). Тут W0 найбільша енергія, яку мають електрони при температурі, рівній абсолютному нулю (Т = 0оК). По горизонталі відкладена енергія W, а вертикальні відрізки зображають число електронів N, що відповідають даним значенням енергії (насправді число цих відрізків дуже велике). Діаграма на рис. 1.2, а) відповідає температурі абсолютний нуль. Вона показує, що кількість електронів, що не мають енергії, дорівнює нулю. Чим більше значення енергії, тим більше електронів набуває такої енергії. Максимальне число електронів має енергію WО. Для більш високої температури показана діаграма на рис.1.2. б). У цьому випадку деяка кількість електронів має енергію більшу W0 і відповідно зменшується кількість електронів з енергією меншою WQ. Число електронів з більш високою енергією, ніж W0, зменшується по мірі зростання енергії. Чим вище температура, тим більша максимальна енергія. WMAX Рис.1.1 показує, що у металів зона провідності безпосередньо примикає ...