Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Физические основы микро- и наноэлектроники

..pdf
Скачиваний:
33
Добавлен:
05.02.2023
Размер:
1.6 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томскийгосударственныйуниверситет системуправленияирадиоэлектроники

М.М. Славникова

ФИЗИЧЕСКИЕОСНОВЫ

МИКРО-ИНАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие (для автоматизированной

технологии обучения)

Издание третье, исправленное и дополненное

Томск

ТУСУР

2014

ÓÄÊ 621.753.1/.2 ÁÁÊ 34.417.2ÿ75

Í55

СлавниковаМ.М.

Н55 Физические основы микро- и наноэлектроники : учеб. пособие / М.М. Славникова–Томск:Томск.гос.ун-тсистемупр.ирадиоэлектроники,2014.

– 276 ñ.

Приводятся основные положения физики твердого тела, рассматривается статистика электронов и дырок, электропроводность, генерация и рекомбинация, диффузия и дрейф носителей заряда в полупроводниках. Описываются контактные и поверхностные явления в полупроводниках, основные процессы в электроннодырочном переходе. В сокращенной форме рассматриваются гальвано-, термомагнитные, термоэлектрические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Широко используются упрощенные модели. Каждая глава заканчивается контрольными вопросами и задачами.

Для студентов, обучающихся по направлению 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств», а также других специальностей, изучающих дисциплины «Физика полупроводников» и «Твердотельная электроника».

ÓÄÊ 621.753.1/.2 ÁÁÊ 34.417.2ÿ75

Славникова Мария Михайловна

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Томск. гос. ун-т систем упр.

и радиоэлектроники, 2014Славникова М.М., 2014

2

Оглавление

Список условных обозначений и сокращений ..........................................

7

Предисловие ......................................................................................

11

Глава 1. Элементы зонной теории твердых тел

 

§ 1.1. Энергия абсолютно свободного электрона

 

и электрона в потенциальной яме ...........................................

13

§ 1.2. Энергия электрона в свободном атоме .....................................

15

§ 1.3. Модель периодического потенциального поля в кристалле ........

18

§ 1.4. Зонный характер энергетического спектра электронов

 

в кристалле ..........................................................................

20

§ 1.5. Модель Кронига — Пенни .....................................................

22

§ 1.6. Проводник, полупроводник, диэлектрик в свете

 

зонной теории твердого тела ...................................................

27

§ 1.7. Эффективная масса носителей заряда ......................................

30

§ 1.8. Физический смысл эффективной массы ...................................

32

§ 1.9. Понятие о дырках как носителях заряда .................................

34

§ 1.10. Собственные полупроводники ...............................................

34

§ 1.11. Донорный полупроводник ....................................................

37

§ 1.12. Акцепторный полупроводник ...............................................

39

Контрольные вопросы и задачи ........................................................

41

Глава 2. Статистика электронов и дырок в полупроводниках

 

§ 2.1. Распределение электронов в твердых телах

 

по энергетическим уровням ...................................................

45

§ 2.2. Плотность квантовых состояний .............................................

47

§ 2.3. Концентрация электронов и дырок в полупроводнике ...............

50

§ 2.4. Положение уровня Ферми и концентрация

 

свободных носителей в собственных полупроводниках .............

52

§ 2.5. Положение уровня Ферми и концентрация

 

свободных носителей в примесных полупроводниках ...............

54

§ 2.6. Основные и неосновные носители заряда.

 

Закон действующих масс .......................................................

57

§ 2.7. Влияние уровня легирования на температурную зависимость

 

концентрации основных носителей заряда ..............................

59

§ 2.8. Компенсированные полупроводники .......................................

60

Контрольные вопросы и задачи ........................................................

61

Глава 3. Электропроводность твердых тел

 

§ 3.1. Влияние электрического поля на функцию распределения

 

носителей заряда в полупроводниках ......................................

66

§ 3.2. Электропроводность полупроводников и подвижность

 

носителей заряда ...................................................................

68

§ 3.3. Зависимость подвижности носителей заряда

 

от температуры .....................................................................

70

3

§ 3.4. Зависимость электропроводности полупроводников

 

от температуры .....................................................................

75

§ 3.5. Электропроводность металлов и сплавов ..................................

77

Контрольные вопросы и задачи ........................................................

78

Глава 4. Электропроводность полупроводников

 

в сильном электрическом поле

 

§ 4.1. Влияние электрического поля на электропроводность

 

полупроводников ...................................................................

83

§ 4.2. Термоэлектронная ионизация Френкеля ..................................

84

§ 4.3. Ударная ионизация ...............................................................

84

§ 4.4. Электростатическая ионизация ..............................................

86

§ 4.5. Подвижность носителей заряда

 

в сильном электрическом поле ................................................

88

§ 4.6. Эффект междолинного рассеяния электронов ...........................

89

§ 4.7. Электропроводность двухдолинных полупроводников

 

в сильном электрическом поле ................................................

90

§ 4.8. Эффект Ганна .......................................................................

91

Контрольные вопросы и задачи ........................................................

93

Глава 5. Генерация и рекомбинация носителей заряда

 

§ 5.1. Тепловая генерация ..............................................................

97

§ 5.2. Неравновесные процессы в полупроводниках ...........................

98

§ 5.3. Рекомбинация свободных носителей заряда ............................

100

§ 5.4. Скорость рекомбинации и время жизни

 

неравновесных носителей заряда ...........................................

101

§ 5.5. Рекомбинация через локальные уровни ..................................

102

§ 5.6. Зависимость времени жизни неравновесных носителей

 

от концентрации основных носителей заряда

 

при рекомбинации через локальные уровни ............................

103

§ 5.7. Температурная зависимость времени жизни

 

носителей заряда ..................................................................

106

§ 5.8. Поверхностная рекомбинация ...............................................

107

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

108

Глава 6. Диффузия и дрейф носителей заряда в полупроводниках

 

§ 6.1. Диффузионные потоки носителей заряда ................................

113

§ 6.2. Диффузионный и дрейфовый токи носителей заряда ...............

114

§ 6.3. Соотношение Эйнштейна ......................................................

115

§ 6.4. Диффузионная длина носителей заряда ..................................

116

§ 6.5. Уравнение непрерывности .....................................................

118

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

120

Глава 7. Контактные явления

 

§ 7.1. Работа выхода электрона ......................................................

123

§ 7.2. Контактная разность потенциалов .........................................

125

§ 7.3. Контакт металл-полупроводник .............................................

127

4

§ 7.4. Влияние внешнего электрического поля на высоту

 

потенциального барьера и толщину запирающего слоя .............

131

§ 7.5. Вольт-амперная характеристика контакта

 

металл-полупроводник ..........................................................

133

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

135

Глава 8. Физические явления в электронно-дырочном переходе

 

§ 8.1. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии .........

139

§ 8.2. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода .........................

146

§ 8.3. Определение тока насыщения ...............................................

149

§ 8.4. Пробой p-n-перехода .............................................................

150

§ 8.5. Энергетические диаграммы p-n-перехода

 

при наличии внешнего электрического поля ...........................

152

§ 8.6. Емкость p-n-перехода ...........................................................

153

§ 8.7. Структура биполярного транзистора.......................................

155

§ 8.8. Принцип работы биполярного транзистора .............................

156

§ 8.9. Энергетические зонные диаграммы

 

биполярного транзистора ......................................................

159

§ 8.10. Коэффициент усиления биполярного транзистора по току ......

160

§ 8.11. Выходные вольт-амперные характеристики

 

биполярного транзистора ....................................................

163

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

165

Глава 9. Поверхностные явления в полупроводниках

 

§ 9.1. Поверхностные состояния .....................................................

176

§ 9.2. Приповерхностный слой объемного заряда .............................

178

§ 9.3. Заряд в приповерхностной области полупроводника ................

180

§ 9.4. Емкость структуры металл-диэлектрик-полупроводник ............

182

§ 9.5. Эффект поля........................................................................

185

§ 9.6. Полевые транзисторы с изолированным затвором ....................

188

§ 9.7. Принцип работы и характеристики МДП-транзистора

 

со встроенным каналом .........................................................

190

§ 9.8. Принцип работы и характеристики МДП-транзистора

 

с индуцированным каналом ...................................................

191

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

193

Глава 10. Гальваномагнитные, термомагнитные

 

и термоэлектрические явления в полупроводниках

 

§ 10.1. Эффект Холла ....................................................................

199

§ 10.2. Использование эффекта Холла для определения

 

основных параметров полупроводников ................................

201

§ 10.3. Магниторезистивный эффект.

 

Термомагнитные явления ....................................................

203

§ 10.4. Эффект Зеебека ..................................................................

204

§ 10.5. Эффект Пельтье .................................................................

206

§ 10.6. Эффект Томсона .................................................................

208

Контрольные вопросы и задачи ...........................................................

209

5

Глава 11. Фотоэлектрические явления в полупроводниках

 

§ 11.1. Спектры отражения и поглощения .......................................

212

§ 11.2. Фотопроводимость полупроводников ....................................

217

§ 11.3. Фотопроводимость при импульсном освещении .....................

219

§ 11.4. Фотоэлектродвижущая сила ................................................

220

§ 11.5. Использование фотоэлектрических явлений

 

в полупроводниковых приборах ...........................................

222

Контрольные вопросы и задачи .......................................................

227

Приложение. Некоторые сведения о строении твердых тел ................

230

Список рекомендуемой литературы .................................................

276

6

Список условных обозначений и сокращений

A— постоянная Ричардсона, Холл-фактор

a±

— ускорение носителя заряда (электрона, дырки)

B— вектор магнитной индукции

c— скорость света в вакууме, c = 2,998 108 ì/ñ

Dn

— коэффициент диффузии электронов

Dp

— коэффициент диффузии дырок

dn, dp

— толщина слоя объемного заряда в полупроводнике n- è p-òèïà

 

соответственно

dω(x,y,z) — вероятность обнаружения микрочастицы в момент времени t

в элементе объемом dxdydz

E— полная энергия микрочастицы

Eê

— кинетическая энергия микрочастицы

E

— напряженность электрического поля

Ea

— энергия акцепторного уровня

Ec

— энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости

Ed

— энергия донорного уровня

EF

— энергия уровня Ферми

Ei

— энергия, соответствующая середине запрещенной зоны полупро-

 

водника

Ev

— энергия верхнего края (потолка) валентной зоны

F— ñèëà

f(E ) — распределение микрочастиц по энергии fÁ-Ý(E, T ) — функция распределения Бозе — Энштейна

fÌ-Á(E, T ) — функция распределения Максвелла — Больцмана fÔ-Ä(E, T ) — функция распределения Ферми — Дирака

G— скорость генерации носителей заряда

h — постоянная Планка, h = 6,62 1034 Äæ ñ = 4,14 1015 ýÂ ñ

I— величина потока, тока

J— интенсивность излучения

j— плотность электрического тока

К — кельвин, единица измерения температуры

k— волновое число

k

— постоянная Больцмана, k = 1,38 1023

Äæ/Ê = 8,625 105

ýÂ/Ê

0

0

 

 

Ln

— диффузионная длина пробега электронов

 

Lp

— диффузионная длина пробега дырок

 

 

l— средняя длина свободного пробега микрочастиц

lè

— средняя длина свободного пробега микрочастиц при рассеянии

 

на ионах

lô

— средняя длина свободного пробега микрочастиц при рассеянии

 

на фононах

m— масса микрочастицы

7

m

— масса покоя электрона, m = 9,11 1031

êã

0

0

 

 

— эффективная масса электрона

 

 

— эффективная масса дырки

 

N— концентрация атомов

Na

— концентрация акцепторных уровней

Nc

— эффективная плотность состояний в зоне проводимости

Nd

— концентрация донорных уровней

N(E)

— плотность разрешенных состояний в интервале энергий от E äî

 

E + dE

Nv

— эффективная плотность состояний в валентной зоне

n0

— равновесная концентрация электронов

ni

— концентрация собственных носителей заряда

nn

— концентрация основных носителей заряда — электронов в до-

 

норном полупроводнике

np

— концентрация неосновных носителей заряда — электронов в

 

дырочном полупроводнике

nô

— концентрация фононов

Pâõ

— входная мощность

Pâûõ

— выходная мощность

p— импульс микрочастицы

p0

— равновесная концентрация дырок

 

pp

— концентрация дырок в акцепторном полупроводнике

m*

pn

— концентрация дырок в донорном полупроводнике

QS

— плотность поверхностного заряда

np

 

q

— заряд электрона, q = 1,6 1019 Êë

 

R

— коэффициент отражения

 

RH

— постоянная Холла

 

Rn

— скорость рекомбинации электронов

 

Rp

— скорость рекомбинации дырок

 

r

— радиус-вектор

 

S— площадь

s — скорость поверхностной рекомбинации

T— температура

Ti

— температура перехода полупроводника от примесной проводи-

 

мости к собственной

Ts

— температура истощения примеси

U

— потенциальная энергия микрочастицы

V— потенциал

VH

— холловская разность потенциалов

Vk

— контактная разность потенциалов

v— скорость микрочастицы

vd

— скорость дрейфа микрочастицы

vn äèô

— скорость диффузии электронов

8

vp äèô — скорость диффузии дырок

W— ширина базы биполярного транзистора

Z— порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева

α— коэффициент поглощения излучения; коэффициент ударной ионизации; коэффициент усиления биполярного транзистора по току

α′ — коэффициент пропорциональности β — коэффициент пропорциональности; коэффициент переноса

E— ширина запрещенной зоны

n — концентрация неравновесных электронов p — концентрация неравновесных дырок

Δσ — фотопроводимость

ε— диэлектрическая проницаемость

ε0

— диэлектрическая проницаемость вакуума, или электрическая

λ

постоянная, ε0 = 8,85 1012 Ô/ì

— длина волны

µ— подвижность

µn

— подвижность электронов

p— подвижность дырок

ν— частота излученияµ

ρ — удельное сопротивление

σ— электропроводность

τ— время релаксации, время жизни

τn

— время жизни неравновесных электронов

p— время жизни неравновесных дырок

ϕ— потенциальная энергия электронаτ

ϕ0

— высота потенциального барьера

ϕb

— энергетическое расстояние от уровня Ферми до дна зоны прово-

χ

димости

— термодинамическая работа выхода

ψ

— волновая функция

ω— угловая частота

БПС — быстрые поверхностные состояния ВАХ — вольт-амперная характеристика ВФХ — вольт-фарадная характеристика КПД — коэффициент полезного действия КРП — контактная разность потенциалов

МДП — металл-диэлектрик-полупроводник (структура) МПС — медленные поверхностные состояния

ОПЗ — область приповерхностного (пространственного) заряда ПЗС — прибор с зарядовой связью СВЧ — сверхвысокая частота ФП — фотопроводимость ЭДС — электродвижущая сила

9

Некоторые свойства германия и кремния

Параметр

Германий

Кремний

 

 

 

Ширина запрещенной зона

 

 

ïðè 300 Ê, ýÂ

0,67

1,11

 

 

 

Дрейфовая подвижность

 

 

ïðè 300 Ê, ì2/ Â ñ:

 

 

электронов

0,39

0,15

дырок

0,18

0,06

 

 

 

Концентрация собственных носителей

 

 

ïðè 300 Ê, ì–3

2,5 1019

1,5 1016

Относительная диэлектрическая

 

 

проницаемость

16

12

 

 

 

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]