- •Введение
- •1. Физические основы работы приборов твердотельной электроники
- •1.1. Зонная структура полупроводников
- •1.2. Собственные и примесные полупроводники
- •1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми
- •1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике
- •1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике
- •1.6. Определение положения уровня Ферми
- •1.7. Проводимость полупроводников
- •1.8. Токи в полупроводниках
- •1.9. Неравновесные носители. Генерация и рекомбинация носителей
- •1.10. Уравнение непрерывности
- •1.11. Электрические поля в кристаллах
- •2. Контактные явления
- •2.1. Разновидности электрических переходов и контактов
- •2.2. Электронно-дырочный переход
- •Равновесия
- •2.2.2. Контактная разность потенциалов
- •2.2.3. Ширина p-n-перехода
- •2.2.4. Прямое включение р-n-перехода
- •2.2.5. Уровень инжекции
- •2.2.6. Обратное включение р-n-перехода
- •2.2.7. Теоретическая вольт-амперная характеристика
- •2.2.8. Вольт-амперная характеристика реального
- •2.2.9. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода в полулогарифмических координатах
- •2.2.10. Пробой р-п-перехода
- •2.2.11. Емкость p-n-перехода
- •2.2.12. Переходные процессы в p-n-переходах
- •2.2.13. Частотные свойства p-n-перехода
- •2.2.14. Эквивалентные схемы р-п-перехода
- •2.2.15. Влияние температуры на свойства
- •2.3. Разновидности электрических переходов
- •2.3.1. Гетеропереходы
- •2.3.2. Контакт полупроводников с одним типом электропроводности
- •2.3.3. Контакт металл – полупроводник. Барьер Шоттки
- •2.3.4. Омические контакты
- •2.3.5. Явления на поверхности полупроводников
- •3.2. Область пространственного заряда в равновесных условиях
- •3.3. Приповерхностная область пространственного заряда
- •3.4. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в идеальной
- •3.5. Вольт-фарадные характеристики идеальной
- •3.5.1. Емкость области пространственного заряда
- •3.5.2. Емкость мдп-структур
- •3.6. Компоненты заряда в реальном диоксиде кремния и их влияние на вфх мдп-структуры
- •3.7. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в реальной
- •3.8. Определение параметров мдп-структур на основе анализа c-V характеристик
- •4. Полупроводниковые диоды
- •4.1. Методы изготовления полупроводниковых диодов
- •4.2. Выпрямительные диоды
- •4.3. Варикапы
- •4.4. Стабилитроны
- •4.5. Туннельный и обращенный диоды
- •4.6. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •4.7. Импульсные диоды
- •5. Биполярные транзисторы
- •5.1. Структура и основные режимы работы
- •5.2. Схемы включения транзистора
- •5.3. Основные физические процессы в биполярных транзисторах
- •5.4. Модуляция сопротивления базы
- •5.5. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •Как четырехполюсник
- •5.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора
- •5.7. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой
- •5.8. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером
- •5.9. Малосигнальные параметры биполярного транзистора
- •5.9.1. Система z-параметров
- •5.9.2. Система y-параметров
- •5.9.3. Система h-параметров
- •5.10. Частотные и импульсные свойства транзисторов
- •6. Тиристоры
- •6.1. Структура и принцип действия
- •6.2. Основные параметры тиристоров
- •6.3. Феноменологическое описание вах динистора
- •6.4. Способы включения и выключения тиристоров
- •7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью
- •7.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •7.3. Эффект смещения подложки
- •7.4. Эквивалентная схема мдп‑транзистора
- •7.5. Подпороговые характеристики мдп-транзистора
- •7.6. Приборы с зарядовой связью
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Т.В. Свистова
ПРИБОРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Воронеж 2012
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
технический университет»
Т.В. Свистова
ПРИБОРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2012
УДК 621.382
Свистова Т.В. Приборы твердотельной электроники: учеб. пособие / Т.В. Свистова. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 294 с.
В учебном пособии рассматриваются основные физические процессы и явления, обеспечивающие работу приборов твердотельной электроники. Приводится анализ электронных процессов в объеме полупроводников, в электронно-дырочных переходах и в области пространственного заряда на поверхности полупроводников. Подробно рассмотрены характеристики и параметры различных видов приборов твердотельной электроники.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), дисциплине «Физические основы электроники».
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Word 2003 и содержится в файле «Приборы ТЭ.doc».
Табл. 3. Ил. 138. Библиогр.: 20 назв.
Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза
Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);
канд. физ.-мат. наук, доц. Е.В. Бордаков
© Свистова Т.В., 2012
© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский
государственный технический
университет», 2012
Введение
Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств полупроводников, диэлектриков, магнитных материалов, влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры, изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле областей с разными типами проводимости; созданием гетеропереходов и многослойных структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способами измерения их параметров. Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.
Полупроводниковый прибор - это устройство, изготовленное частично или целиком из полупроводникового материала, которое может выполнять необходимые функции в электронной аппаратуре. Твердотельная электроника определяется физическими свойствами самих полупроводниковых материалов. Поэтому в первой главе учебного пособия представлены основные сведения из физики твердого тела и физики полупроводников. Во второй и третьей главах излагаются физические основы, связанные с контактными явлениями в электронно-дырочных переходах, барьерах Шоттки и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП-структур. В четвертой главе рассмотрены полупроводниковые диоды, структура которых проще структур большинства других приборов. Поэтому материал этой главы необходим для понимания принципа работы других полупроводниковых приборов.
В учебном пособии рассмотрены физические основы работы твердотельных полупроводниковых приборов, использующих как явление инжекции носителей через p-n-переходы, так и явления, связанные с эффектом поля. Глава 5 посвящена биполярному транзистору, работа которого основана на взаимодействии двух близко расположенных p-n-переходов. Биполярный транзистор является одним из важнейших полупроводниковых приборов. Можно считать, что с его изобретения в 1948 году началась эра современной электроники. Работа тиристора, представляющего собой три близко расположенных и взаимодействующих p-n-перехода (p-n-p-n-структура), рассматривается в главе 6. Тиристоры обладают широким диапазоном уровня переключаемых мощностей. В зависимости от назначения они могут выдерживать токи от нескольких миллиампер до тысяч ампер и напряжение свыше 5000 В. Глава 7 посвящена униполярным приборам, работу которых определяют главным образом носители одного типа (основные). Рассмотрены родственные по принципу действия полевые транзисторы с p-n-переходом в качестве затвора и полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы), представляющие собой важный элемент интегральных схем.
Область электроники вообще и полупроводниковых приборов в частности столь динамична и претерпевает столь быстрые изменения, что понятия сегодняшнего дня могут оказаться устаревшими уже завтра. Пособие направлено на то, чтобы оказать помощь в изучении основных физических процессов, лежащих в основе работы полупроводниковых приборов, и приобрести достаточные знания в области физики и математики, чтобы оценивать, понимать и отвечать на любые события в этих быстроразвивающихся областях.
Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной формы обучения.