Физические основы построения ЭВМ

Цели курса: изучение физических основ построения ЭВМ, рассмотрение организации интегральных схем,

ЛИТЕРАТУРА

Бройдо В.Л. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов 2-е издание

Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе

Лекция 2. Основы теории электропроводимости твердого тела

Вопросы:
Элементы энергетической модели атома
Электропроводимость полупроводников.
Понятие n-p-перехода

Элементы энергетической модели атома

Носители информации - количественные показатели напряжения, тока и заряда. В реальных

В процессе передачи и преобразования электрической энергии большую роль играют электроны.

Электроны – это мельчайшие элементарные частицы материи, обладающие электрической энергией.

D = 5*10-13 см,
m=9*10-28 грамм,
e=1,6*10-19 Кл.

Каждый электрон имеет

Согласно принципам квантовой механики электроны изолированного атома обладают вполне определенными значениями

Для теоретического обоснования экспериментальных данных можно применить достаточно простую модель энергетических

Далее идет запрещенная зона. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не

При Т=0◦К (рисунок 3) валентная зона всегда полностью заполнена, тогда как

2. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Электропроводность полупроводников резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает

Согласно принципам квантовой механики электроны изолированного атома обладают вполне определенными значениями

Ковалентная связь

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны

В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело»

Кристаллическая структура кремния

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3. Шариками изображены атомы кремния,

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы. На этих линиях находятся

Собственная проводимость

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия

Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости)

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5.

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью. Процесс

Примесная проводимость

Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря

Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка (As).

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из

Внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость,

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если

На внешнем электронном уровне атома индия расположены 3 электрона, которые формируют

Каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному

Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа

3. ПОНЯТИЕ P–N-ПЕРЕХОДА

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной)

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа. Цветные кружочки

В результате движения зарядов в электронном п/п около границы контакта остаётся

Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой ABCD, внутреннее

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»

Вентильное свойство p-n-перехода p-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости

Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим

Введение носителей заряда через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера в

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, а слой,

Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую

Выводы:

1. p-n-переход образуется на границе р- и n-областей, созданных в монокристалле

3. При отсутствии внешнего напряжения UBH в p-n-переходе устанавливается динамическое равновесие:

4. При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход

5. При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается

6. Ширина р-n-перехода зависит:
от концентраций примеси в р- и n-областях,

При увеличении концентрации примесей ширина р-п-перехода уменьшается и наоборот. С увеличением

р-n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных

Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Вольтамперная характеристика р-n-перехода - это зависимость тока через р-n-переход от величины

Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя

Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант соответствует участку

При увеличении прямого напряжения ток р-п-перехода в прямом направлении вначале возрастает

Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого

Поэтому прямой ток p-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев

При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, обратный ток изменяется незначительно,