gurtov_v_a_tverdotelnaya_elektronika

Предисловие ко второму изданию

Первое издание учебного пособия «Твердотельная электроника» было в значительной мере рассчитано на поддержку лекционного курса, который автор читает для студентов физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета. Связано это с тем, что из большого количества ранее изданных русскоязычных и англоязычных книг, учебных пособий и справочников по твердотельной электронике для нынешнего поколения студентов и аспирантов большинство из них недоступны. Такие фундаментальные издания, как Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем // И. П. Степаненко. 4-е изд. М.: Энергия, 1977. 671 С.; Зи С. Физика полупроводниковых приборов // С. Зи. М.: Мир, 1984. T. 1. 456 С; T. 2. 456 С; стали библиографической редкостью, а монография Sah C.-T. Fundamentals of solid-state electronics // C.-T. Sah. World Scientific, 1991. 1011 p, к сожалению, вообще не была переведена на русский язык и фактически недоступна для массового читателя.

Двухлетний опыт работы с первым изданием учебного пособия «Твердотельная электроника» показал, с одной стороны, его востребованность, а с другой стороны, необходимость доработки, внесения правок и изменений, а также расширения за счет включения материалов по современным разработкам в области твердотельной электроники. По этой причине во второе издание добавлены шесть глав — восьмая, десятая, одиннадцатая, двенадцатая, тринадцатая и четырнадцатая. В восьмой главе рассматриваются характеристики лавинно-пролетных и коммутационных СВЧ-диодов. Девятая и одиннадцатая главы посвящены оптоэлектронным приборам. В двенадцатой главе рассматривается квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Тринадцатая глава посвящена полупроводниковым приборам при экстремальных температурах. Четырнадцатая глава показывает пути микроминиатюризации приборов твердотельной электроники и возможности реализации приборов наноэлектроники для квантовых компьютеров. Также во втором издании в конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задачи, а в конце учебного пособия — решения этих задач. Сформирован и приведен предметный указатель. Исключена глава, посвященная классификации и обозначению полупроводниковых приборов.

Список литературы структурирован по четырем направлениям и включает 84 ссылки. В их числе монографии и научные издания — 31 наименование [1—31], учебники и учебные пособия — 37 наименований [32—69], сборники задач — 5 наименований [70—74], энциклопедии и справочники — 10 наименований [75—84]. В список литературы не включались ссылки на оригинальные статьи из научных журналов в связи с громадным числом таких публикаций.

В заключение автор выражает благодарность сотруднику кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета О. Н. Артамонову за неоценимую помощь в подготовке второго издания учебного пособия.

В. А. Гуртов, 15 июля 2005 года, Петрозаводск

Gurtov.indd 9

17.11.2005 12:27:27

Предисловие к первому изданию

Учебное пособие «Твердотельная электроника» базируется на лекционном курсе, который автор в течение длительного времени читает для студентов физико-техни- ческого факультета Петрозаводского государственного университета.

Учебное пособие по структуре и содержанию соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования для специальности 071400 «Физическая электроника» в разделе федерального компонента общепрофессиональных дисциплин ОПД.Ф.08 «Твердотельная электроника». По другим направлениям и специальностям подготовки, ведущимся в Петрозаводском государственном университете, этот курс находится в рамках естественнонаучного компонента государственного образовательного стандарта, устанавливаемого вузом.

Для Петрозаводского государственного университета это следующие направления подготовки бакалавров и магистров, а также специальности высшего профессионального образования.

Направление подготовки магистров 510400 «ФИЗИКА» по программам: 510403 — Физика конденсированного состояния вещества; 510404 — Физика полупроводников. Микроэлектроника.

Направление 553100 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА» по программам:

553105 — Физическое моделирование структуры, свойств и техники получения материалов;

553117 — Электрофизические технологии.

Направление 552800 «ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА» по программам:

552826 — Автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний;

552824 — Информационно-измерительные системы. Специальность 010400 «Физика»; Специальность 071400 «Физическая электроника»;

Специальность 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;

Специальность 190900 «Информационно-измерительная техника и технологии».

Впредлагаемом 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.

Всвязи с тем что учебный курс читается для студентов третьего курса, в первой главе учебного пособия в кратком виде представлены основные сведения из физики твердого тела и из физики полупроводников. Эти сведения в дальнейшем необходимы при усвоении основного материала курса. В главах второй и третьей излагаются физические основы, связанные с контактными явлениями в барьерах Шоттки, элек- тронно-дырочных переходах и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП-структур.

Четвертая и пятая главы посвящены анализу физических основ работы полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов. Глава шестая посвящена анализу работы полевых транзисторов. Глава седьмая посвящена приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением — тиристорам. Глава восьмая посвящена

Gurtov.indd 10

17.11.2005 12:27:27

Предисловие к первому изданию

приборам функциональной электроники — диодам Ганна. В одиннадцатой главе приводятся классификация и обозначения полупроводниковых приборов как российских, так и зарубежных.

Особенность данной книги заключается в том, что при обсуждении физических принципов работы и параметров приборов автор наряду с идеализированными характеристиками старался использовать справочные данные, которые показывают реально характеристики того или иного вида приборов.

Врамках подготовки к изданию учебного пособия «Твердотельная электроника» аспирантом О. Н. Артамоновым была разработана электронная версия указанного учебного пособия, которая представлена на сайте кафедры физики твердого тела, а также прилагается в виде компакт-диска к бумажной версии учебного пособия. При подготовке электронной версии учебного пособия использовались мультимедийные разработки, выполненные студентами физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета в рамках курсовых и дипломных работ. Указанные мультимедийные приложения улучшают качество представляемого материала и позволяют более ясно понять основные физические процессы, которые происходят

вприборах твердотельной электроники.

Взаключение автор выражает благодарность сотрудникам кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета, с которыми он длительное время работает, а также О. Н. Артамонову и Ю. М. Листопадову за неоценимую помощь в подготовке указанного учебного пособия.

В.А. Гуртов, 28 февраля 2003 года, Петрозаводск

Gurtov.indd 11

17.11.2005 12:27:27

ГЛАВА 1

НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ

ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И

ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1. Зонная структура полупроводников

Согласно постулатам Бора, энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку. Если твердое тело состоит из N атомов, то энергетические уровни оказываются N-кратно вырожденными. Электрическое поле ядер, или остовов атомов, выступает как возмущение, снимающее это вырождение. Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Решение квантовых уравнений в приближении сильной или слабой связи дает качественно одну и ту же картину для структуры энергетических зон твердых тел. В обоих случаях разрешенные и запрещенные состояния для электронов чередуются и число состояний для электронов в разрешенных зонах равно числу атомов, что позволяет говорить о квазинепрерывном распределении энергетических уровней внутри разрешенных зон [35, 82, 83].

Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами (обычно называемой запрещенной зоной) больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. И наконец, если ширина запрещенной зоны Eg лежит в диапазоне (0,1÷3,0) эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников. В зависимости от сорта атомов, составляющих твердое тело, и конфигурации орбит валентных электронов реализуется тот или иной тип кристаллической решетки, а следовательно, и структура энергетических зон. На рис. 1.1 приведена структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния с решеткой так называемого алмазоподобного типа.

Верхняя, не полностью заполненная энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком EC, положение вершины валентной зоны — EV, а ширину запрещенной зоны — Eg.

Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие

Gurtov.indd 12

17.11.2005 12:27:27

1.1. Зонная структура полупроводников

при комнатной температуре удельную электрическую проводимость σ от 10–8 до 106 Ом–1·см–1, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т. д.

Для диэлектриков ширина запрещенной зоны Eg > 3 эВ, величина удельной проводимости σ < 10–8 Ом–1·см–1, удельное сопротивление ρ = 1/σ > 108 Ом·см. Для металлов величина удельной проводимости σ > 106 Ом–1·см–1.

	Энергия			Энергия
	электрона			электрона
Уровень вакуума		x		Ec'	V0(x)
Электронное	χ
сродство				Ec
Ширина		V(x)		Ev		3p2 –6,53 эВ
запрещенной
зоны (Eg)
Ширина						3s2 –13,57 эВ
валентной
зоны				Ev'
		2,35 A	Si		Si+4
Вакуум	Полупроводник				2p6	–150,84 эВ
Вакуум / Si				Кристалл	2s2	–108,21 эВ
					Изолированный
граница раздела				a = a0 = 2,35 Å
					атом

a = 8

Рис. 1.1. Структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния [30]

1.2. Терминология и основные понятия

Полупроводники, или полупроводниковые соединения, бывают собственными и примесными.

Собственные полупроводники — это полупроводники, в которых нет примесей (доноров и акцепторов). Собственная концентрация (ni) — концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике (электронов в зоне проводимости n и дырок в валентной зоне p, причем n = p = ni). При T = 0 в собственном полупроводнике свободные носители отсутствуют (n = p = 0). При T > 0 часть электронов забрасывается из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны и дырки могут свободно перемещаться по энергетическим зонам.

Дырка — это способ описания коллективного движения большого числа электронов (примерно 1023 см–3) в не полностью заполненной валентной зоне. Электрон — это частица, дырка — это квазичастица. Электрон можно инжектировать из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.

Легирование — введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным. Если в полупроводник, состоящий из элементов 4-й группы

Gurtov.indd 13

17.11.2005 12:27:27