Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков

Введение

Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и принципах создания электронных приборов.

Микроэлектроника – это раздел электроники, изучающий приборы с размерами элементов порядка нескольких микрометров.

Радиоэлектроника – это наука, изучающая способы передачи, приёма и преобразования информации с помощью электромагнитных волн.

 

Цели и задачи дисциплины

       Целью дисциплины «Основы радиоэлектроники» является изучение элементной базы и схемотехники современных радиоэлектронных устройств, а также физических процессов, лежащих в их основе.

Задачи дисциплины:

- изучение физических процессов, происходящих в полупроводниках, из которых изготавливаются электронные компоненты;

- изучение конструкции, принципа работы и области применения основных полупроводниковых компонентов (диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т. д.);

- изучение схемотехники основных радиоэлектронных узлов (усилителей, генераторов, электронных ключей и т. д.);

- получение базовых умений и навыков анализа работы, расчёта и проектирования радиоэлектронных устройств и вычислительной техники.

 

Разделы дисциплины

 

Раздел 1 Электрофизические свойства полупроводников

Раздел 2 Полупроводниковые компоненты электрической цепи

Раздел 3 Устройства отображения информации

Раздел 4 Аналоговые электронные устройства

Раздел 5 Автогенераторы гармонических колебаний

Раздел 6 Импульсные устройства

Раздел 7 Устройства передачи и приёма сигналов

 

Связь радиоэлектроники с другими дисциплинами

Изучение радиоэлектроники основано на учебном материале таких дисциплин, как физика, химия, материаловедение, теоретические основы электротехники и других.

Знания и умения, полученные при изучении дисциплины «Основы радиоэлектроники», являются теоретической базой для усвоения последующих дисциплин специального цикла. Дисциплина изучает конструкцию, принцип работы, параметры и характеристики элементов и узлов, используемых в устройствах электроники, автоматики, вычислительной техники и т. д.

 

История радиоэлектроники

       1895 – 1896 г. – открытие радио (Александр Попов, Гульельмо Маркони)

1904 г. – изобретение лампового диода (Джон Флеминг)

1906 г. – изобретение лампового триода (Ли де Форест)

1928 – 1829 г. – изобретение телевизионного приёмника и кинескопа (Борис Грабовский, Владимир Зворыкин)

1947 г. – изобретение биполярного транзистора (Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Шокли)

1958 г. – изобретение интегральной микросхемы (Джек Килби, Курт Леговец, Роберт Нойс, Жан Эрни)

 

 

Поколения электронной техники

1 поколение – I половина XX века – приборы на электронных лампах

2 поколение – начиная с 1950-х годов – приборы на транзисторах

3 поколение – начиная с 1960-х годов – приборы на интегральных микросхемах

4 поколение – начиная с 1980-х годов. – приборы на больших и сверхбольших интегральных микросхемах

По мере развития радиоэлектроники размеры электронных компонентов, их цена и энергопотребление уменьшаются, а функциональность – растёт.

Перспективным направлением развития электроники являются электронные компоненты из графена на основе углеродных нанотрубок.

 

Тема 1.1 Свойства полупроводников

Энергетическая диаграмма вещества

       Электроны в веществах расположены на определённых уровнях энергии (чем дальше от ядра, тем больше внутренняя энергия электрона W). Уровни группируются в зоны. Их можно изобразить на энергетической диаграмме:

       Зона проводимости – зона, где находятся электроны способные создавать ток.

       Запрещённая зона – зона, в которой электроны находиться не могут.

       Валентная зона – зона электронов, способных участвовать в связях между атомами.

      

Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков

       У проводников (медь, алюминий, железо, серебро, золото и др.) нет запрещённой зоны. Электроны в них легко переходят из валентной зоны в зону проводимости. Из-за этого все валентные электроны металлов отделены от их атомов. Поэтому проводники хорошо проводят электрический ток.

       В полупроводниках (кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др.) есть запрещённая зона. Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, к электрону необходимо приложить энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны DW. Эту энергию можно подать в виде тепла, света или излучения. Поэтому ток в полупроводниках сильно зависит от этих трёх факторов.

       В диэлектриках (воздух, стекло, керамика, бумага и др.) запрещённая зона велика. Электроны почти не отрываются от атомов. Поэтому диэлектрики плохо проводят ток.