- •Введение
- •Развитие электроники
- •Особые свойства электронных приборов
- •Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников
- •1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах
- •1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов
- •1.1.2. Прохождение тока через металлы
- •1.2. Собственная проводимость полупроводников
- •1.3. Примесная проводимость полупроводников
- •1.3.1. Электронная проводимость. Полупроводник n-типа
- •1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник p-типа
- •1.4. Однородный и неоднородный полупроводник
- •1.5. Неравновесная концентрация носителей
- •1.6. Прохождение тока через полупроводники
- •1.7. Уточнение понятий “собственные” и “примесные” полупроводники
- •Глава 2. Количественные соотношения в физике полупроводников
- •2.1. Распределение Ферми. Плотность квантовых состояний
- •2.2. Функция распределения Ферми – Дирака
- •2.3. Плотность квантовых состояний
- •2.4. Концентрация носителей в зонах
- •2.5. Собственный полупроводник
- •2.6. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми
- •Глава 3. Электронно-дырочный переход
- •3.1. Образование и свойства р-п перехода
- •3.1.1. Виды p-n переходов
- •3.1.2. Потенциальный барьер
- •3.1.3. Токи р-n перехода в равновесии
- •3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении
- •3.2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода
- •3.2.2 Влияние температуры на характеристику и свойства р-п перехода
- •3.2.3. Емкость р-п перехода
- •Глава 4. Полупроводниковые диоды
- •4.1 Диоды
- •4.1.1. Реальная вольт-амперная характеристика (вах) диода
- •4.1.2. Параметры диода
- •4.2. Разновидности диодов. Точечные и плоскостные диоды
- •4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды
- •4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов
- •4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды)
- •4.2.4. Импульсные диоды
- •4.2.5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный эффект. Туннельные диоды (тд)
- •4.2.6. Варикапы
- •4.4. Обозначение (маркировка) несиловых диодов
- •Глава 5. Биполярный бездрейовый транзистор
- •5.1. Устройство и принцип действия
- •5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи тока
- •5.2.1. Возможность усиления тока транзистором
- •5.3. Три схемы включения транзистора
- •5.4. Статические характеристики транзистора
- •5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора
- •5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора
- •5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от режима и от температуры
- •5.6.2. Четырехполюсниковые h-параметры транзистора и эквивалентная схема с h-параметрами
- •5.6.2.1. Определение h-параметров по статическим характеристикам
- •5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и h-параметрами
- •5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор
- •5.7.1. Частотно-зависимые параметры
- •5.7.2. Дрейфовый транзистор
- •Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы
- •6.1. Унитрон
- •6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора
- •6.4. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов
- •Глава 7. Тиристоры
- •7.1. Устройство и принцип действия тиристоров
- •7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора
- •7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)
- •7.2.2. Открытое состояние (ключ включен)
- •7.3. Включение и выключение тиристора
- •7.4. Параметры тиристора
- •7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров
- •Глава 8. Интегральные микросхемы.
- •8.1 Общие сведения о микросхемах.
- •8.1.1 Классификация микросхем.
- •8.1.2. Обозначения имс
- •8.2. Сведения по технологии получения имс
- •8.2.1. Исходные материалы
- •8.2.2. Групповой метод. Планарная технология
- •8.3. Планарно – эпитаксиальный цикл.
- •8.3.1. Эпитаксия.
- •8.3.2. Окисление поверхности кремния.
- •8.3.3. Первая (разделительная) диффузия.
- •8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии.
- •8.3.5. Металлизация (межсоединения).
- •8.3.6. Фотолитография.
- •8.4. Особенности и перспективы развития интегральных схем.
- •8.4.1. Особенности имс.
- •8.4.2. Перспективы развития.
- •Библиографический список
- •Глава 8. Интегральные микросхемы ……………………………………… 61 Библиографический список ……………………………………………….. 78
Глава 3. Электронно-дырочный переход
В полупроводниковых приборах, в том числе в микросхемах главную роль играют электрические переходы.
Электрическим переходом в полупроводниках называют границу между двумя областями с резко различными физическими свойствами (типом проводимости, величиной проводимости и др.) и прилегающими к этой границе тончайшими слоями полупроводника. Возможны несколько видов электрических переходов.
-
Электронно-дырочные (или р-п переходы) – это переходы между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости (р- и п- тип).
-
Электронно-электронные (n+--п переходы) или дырочно-дырочные (p+--p переходы) – это переходы между двумя областями с одинаковым типом проводимости (р- или п- тип), но с сильно различающимися концентрациями примеси (основных носителей), следовательно – с разной величиной проводимости.
-
Переходы металл-полупроводник. Это переходы, в которых одна из областей является металлом.
-
Гетеропереходы – это переходы между двумя полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоны W.
Электрические переходы нельзя получить путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами из-за того, что поверхности кристаллов загрязнены оксидами и атомами других веществ. Препятствием является и воздушный зазор, который не удается полностью устранить при механическом контакте. Наиболее существенную роль в электронике играют электронно-дырочные переходы, меньшую – контакт металл-полупроводник. Они подробно будут рассмотрены далее.
3.1. Образование и свойства р-п перехода
Электронно-дырочным переходом (или р-п переходом) называют границу между электронной и дырочной областями в кристалле полупроводника с прилегающими неравновесными слоями. Кристаллическая структура на границе электронной и дырочной областей не должна быть нарушенной. Это означает, что р-п переход нельзя получить механическим соединением пластинок р- и n-типа. Граница раздела проводимостей р- и n-типа должна быть получена в едином кристалле (некоторые широко распространенные технологические способы получения р- и n-областей в одном кристалле будут кратко рассмотрены в одном из последующих разделов). Электронно-дырочные переходы составляют основу всех полупроводниковых приборов. Поэтому понимание физических основ образования р-п переходов и их свойств является необходимой предпосылкой успешного изучения и применения полупроводниковых приборов. Без р-п перехода немыслимы электронные приборы.
Ф изические процессы при образовании р-п перехода довольно сложны. Однако далеко не все они имеют решающее значение. Поэтому при рассмотрении учитывают только главные процессы. С учетом ряда упрощений образование р-п перехода может быть объяснено сравнительно просто /2/. Пусть в едином кристалле германия получена резкая граница d между областями р- и n-типа, как показано на рис.3.1 (границу d называют металлургическим переходом). В области p дырки с концентрацией pp являются основными, а электроны np - неосновными носителями. В n-области основными носителями являются электроны с концентрацией nn, неосновными – дырки pn . На границе d образовалась резкая разница в концентрациях дырок pp >> pn и электронов nn >> np , т.е. имеет место градиент концентрации свободных носителей.
Пример 3.1
Пусть Ng = Na =1016 см –3 (симметричный переход). Определить разность концентраций n, p на границе перехода.
Примем ni=pi=1018 см –3.
1. согласно (1.3) pp Na =1016 см –3,
согласно (1.2) см-3.
p= pp pn=1018(1061)=999999 1010 1016 см –3.
2. согласно (1.1) nn Ng =1016 см –3,
согласно (1.4) см-3.
n= nn np=1018(1061)=999999 1010 1016 см –3.
Разность концентраций n и p огромна.
Дырки из приграничного слоя области p под воздействием градиента концентрации диффундируют в область n (для выравнивания концентрации по всему объему, необходимого при термодинамическом равновесии). В результате диффузионного перехода дырок (имеющих положительный заряд) из области p в область n нарушается электрическая нейтральность областей p и n. Слева, в приграничном слое области р остаются нескомпенсированные отрицательные заряды ионов акцептора, находящиеся в узлах решетки и образующие неподвижный объемный отрицательный заряд. Справа от границы d, в приграничном слое области р пришедшие из области р дырки рекомбинируют с электронами, оставляя нескомпенсированные положительные заряды ионов донора. Эти ионы находятся в узлах решетки и все вместе образуют неподвижный объемный положительный заряд.
Точно так же под воздействием градиента концентрации электроны диффузируют справа, из приграничного слоя области n, налево, в область p. Уходя из области n, электроны оставляют нескомпенсированные положительные заряды ионов донора, а в области р пришедшие электроны рекомбинируют с дырками и "обнажают" отрицательные ионы акцептора, т.е. диффузия электронов тоже является причиной появления положительного объемного заряда в области n и отрицательного в области р. Результирующие объемные заряды обусловлены совместно диффузией дырок и электронов. Не скомпенсированные (неподвижные) объемные заряды создают внутреннее электрическое поле Ei (градиент потенциала), направленное от области п в область р. Сила воздействия поля Ei на электрические заряды дырок и электронов противоположна силам диффузии и препятствует дальнейшей диффузии. Таким образом, выравнивание концентрации дырок и электронов по всему объему не происходит. Процесс заканчивается установлением динамического равновесия, при котором силы диффузии уравновешены встречными силами внутреннего электрического поля. При этом из приграничных слоев р- и n-областей ушли подвижные носители (возник обедненный слой), а между областями р и n образовалась разность потенциалов 0, называемая потенциальным барьером. В новой системе (р-область, р-п переход, n-область) в следствие термодинамического равновесия устанавливается общий для всей системы уровень Ферми , на котором выравнивается уровни областей и (см. рис. 3.2). Узкая обедненная область (шириной h0 ) с объемными зарядами и потенциальным барьером 0, включающая в себя приграничные слои р- и п-областей, называется электронно-дырочным переходом, или р-п переходом. Ширина р-n перехода измеряется микрометрами и долями микрометра /2/. В области р-п перехода полупроводник неоднородный, а концентрация - неравновесная. Например, в n-области концентрация основных носителей – электронов изменяется от минимальной на границе a (равной ni) до равновесной nn на границе перехода с равновесной n-областью. В соответствии с (2.13) изменяться положение уровня Ферми на протяжении перехода от (на границе a) до (на границе перехода с равновесной n-областью). Так как уровень Ферми системы постоянен, то искривляются энергетические уровни (зоны) в п-области вверх на величину (рис. 3.2). Аналогично, в соответствии с (2.15) изменяется положение уровня Ферми в левой половине р-п перехода от (на границе a) до (на границе перехода с равновесной р-областью) и искривляются энергетические уровни (зоны) в р-области вниз на величину . В области p точно так же, как и в области n, за исключением приграничного слоя, входящего в р-п переход, условия остались неизменными: концентрация равновесная, полупроводник однородный.