СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ                                                                            К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение в специальность

       Методические указания и контрольные задания            

                 для студентов всех форм обучения  

специальности 26.05.07
 ″Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики ”

                                          Мурманск

                                            2016

Составитель — Анатолий Борисович Власов, профессор кафедры                                            электрооборудования судов Мурманского государственного технического университета

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ЭОС

 15 мая 2016 г., протокол № 9.

                       РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

                       Основная литература

1)Власов А.Б. Электроника: Часть 1. Элементы электронных схем -Мурманск : МГТУ, 2007-2009. - 153 с.

2)Власов А.Б. . Физические основы электронной техники: часть 1: Физика полупроводников, часть 2 . Физика полупроводниковых приборов. Мурманск, 1994 г.

3)Власов А.Б. Физические основы электроники. Электрофизические методы исследования полупроводников и полупроводниковых приборов. –Мурманск: МГТУ, 2013.

4)Власов А.Б., Власова С.В. Электротехническое материаловедение. Мурманск, 2001 с.

5)Власов А.Б., Власова С.В. Лабораторный практикум по электрофизическим методам исследования диэлектриков. Мурманск, 2013.

6)Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. 7-е изд., перераб. М.: Энергия, 1977.

7)Файлы в лаборатории (.

Основной теоретический материал, формулы, графические зависимости приводятся в литературе и прилагаемых файлах, которые следует переписать в деканате или лаборатории.

С отдельными примерами решения тех или иных задач (см. приложение) можно ознакомиться в литературе, в лаборатории кафедры, или на консультации.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ                                                                            К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Материалы курса в основном изложен в соответствующих темах методических пособий. Дополнительные сведения при необходимости можно найти в других рекомендуемых источниках.

В приводимых ниже примерах решения задач используются соотношения, таблицы, параметры, представленные в литературе.

              ЧАСТЬ I. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

    ТЕМА 1 . ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ МЕТАЛЛОВ                             И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводниковые материалы, их характеристики. Материалы IY группы, А^ШB^Y, А^ПB^YI, элементы Y группы и их аналоги, соединения элементов YI группы, органические полупроводники.  

Элементы зонной теории металлов и полупроводников. Квантование электронов в изолированных атомах. Классификация кристаллов по типам связей.

Кристаллические решетки. Дефекты. Колебания кристаллической решетки. Фононы.

Формирование зонных диаграмм при объединении атомов в кристаллы. Заполнение энергетических зон электронами. Особенности образования свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках.                        

              Методические рекомендации

В результате изучения темы студенты (курсанты) должны знать простейшие свойства кристаллических решеток.  

При анализе данной темы необходимо обратить внимание на отличие энергетических диаграмм, описывающих поведение электронов в изолированных атомах, от зонных диаграмм, описывающих поведение носителей заряда в кристаллических структурах. Энергетические диаграммы позволяют наглядно описать поведение носителей в процессах электропроводности, качественно объяснить работу полупроводниковых приборов.

              Вопросы для самопроверки

1. Какие виды связи реализуются в материалах?

2. Какие основные типы простых решеток вам известны?

3. Какие основные виды дефектов присутствуют в кристаллах?

ТЕМА 2. ОБРАЗОВАНИЕ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ

 Собственные и примесные полупроводники. Донорная и акцепторная примесь.

Концентрация носителей заряда в металлах и полупроводниках.

Зонная теория ее основные понятия: зона проводимости, запрещенная зона, валентная зона, свободные электроны и дырки, их генерация и рекомбинация.

                       Методические рекомендации

В при изучении данной темы основное внимание необходимо уделить таким вопросам как образование носителей заряда в полупроводниках, закон действующих масс, позволяющий определять концентрацию носителей в различных полупроводниках.

Особо следует подчеркнуть, что при температурах выше температуры ионизации примесей, в частности при Т=300 К, все примеси ионизированы и концентрация основных носителей полностью определяется концентрацией примесей. При этом концентрация неосновных носителей рассчитывается с учетом закона действующих масс.

                       Вопросы для самопроверки

1. Как зависит концентрация свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках от температуры? Что характеризуют температуры истощения примесей и перехода к собственной проводимости? Какая из них больше?

2. Германиевый и кремниевый образцы имеют одинаковое количество донорных центров, например 10²¹ м^-3. Температура равна 300 К. В каком образце больше неосновных носителей?

              Примеры решения задач по теме 2

Задача 1.Определить, чему равна ширина запрещенной зоны кремния при температуре 400 К, если коэффициент температурного изменения ширины запрещенной зоны b = - 2.84·10^—4 эВ/К?

Решение.Ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Так, например, в германии и кремнии она изменяется по закону

                           DE_з(Т )= Dе_з(300) + b·T,

где Т- температура, К; DЕ_з(300) - табличное значение ширины запрещенной зоны для 300 К.

Принимая для кремния DЕ_з(300) = 1,11 эВ при 400 К имеем

    DE_з(400) = 1,11 - 2,84·10^—4· 400 = 0.996 эВ.

Таким образом, при увеличении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается.

Задача 2.Определить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при Т = 300 К. В лекциях (таблицах)  приведены параметры материала.

Решение.Собственная концентрация носителей определяется известными соотношениями. Постоянные N_c и N_v равны:

N_c = 2·(2·3,14·1,05·9,1·10^–31·1,38·10^-23·Т)^3/2/(6,62·10^–34)³ =

                       = 2,69·10²⁵ ·(Т/300)^3/2 м^-3;

N_v = 2·(2·3.14·0,56·9.1·10^–31·1,38·10^-23·Т)^3/2/(6,62·10^–34)³=

= 1,05·10²⁵ ·(Т/300)^3/2 м^-3.

Последние выражения весьма удобны для вычисления значений N_c, N_v при различных температурах и могут быть использованы в РГЗ.

 Согласно выражению для собственного полупроводника при температуре 300 К имеем

n_i = 10²⁵·(2,69·1.05)^1/2·exp(-1,11/(2·8,625·10^—5·300)) = 8,13·10¹⁵ м^-3.

Задача 3.Определить концентрацию основных и неосновных носителей заряда в примесном кремнии при концентрации примесей мышьяка N_пр = 10²⁰ м^—3  и температуре 300 К.

Решение.При решении данной задачи следует знать, что температура Т = 300 К гораздо выше температуры ионизации примесей Т_s, рассчитываемой по известному соотношению. С учетом этого при Т = 300 К все примеси уже ионизированы. В этом случае для данного диапазона температур следует использовать соотношение, вытекающее из физического смысла:

                       n_n = N_пр = 10²⁰ м^—3,

поскольку каждый атом примеси при ионизации дает один электрон.

Для определения концентрации неосновных носителей целесообразно использовать закон действующих масс, определяемый соотношением:

                       n(Т)·p(Т) = n_i²(Т).

Рассуждение должно строиться следующим образом. Если бы материал (кремний) был собственным, то концентрация собственных носителей была бы равна 8,13·10¹⁵ м^—3 (см. задачу 2). Следовательно, концентрация неосновных носителей при температуре 300 К равна

              р_n (300) = (8,13·10¹⁵)²/10²⁰ = 6,11·10¹¹ м^-3.

Очевидно, что концентрация неосновных носителей по мере возрастания температуры (в некоторых пределах до Т_i) увеличивается.

    ТЕМА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОВОДИМОСТЬ                 МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Связь проводимости с концентрацией и подвижностью носителей заряда. Дифференциальный закон Ома. Зависимость подвижности носителей заряда в металлах и полупроводниках от температуры и концентрации примесей. Зависимость электропроводности металлов и полупроводников от температуры и концентрации примесей.