- •210202 – Проектирование и технология электронно-вычислительных средств,
- •140609 – Электрооборудование летательных аппаратов,
- •140610 – Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений
- •Рецензенты:
- •Предисловие
- •1. Основные сведения о физических явлениях и процессах в полупроводниковых структурах
- •1.1. Основные понятия и уравнения твердотельной электроники
- •Температурный потенциал
- •Закон действующих масс
- •1.2. Электронно-дырочный переход
- •1.2.2. Образование переходов методом диффузии.
- •1.3. Структура "металл-полупроводник"
- •1.4. Структура "металл-диэлектрик-полупроводник"
- •2. Состав индивидуального задания
- •Заключение
- •Библиографический список и требования к нему
- •4. Варианты индивидуальных заданий
- •4.1. Электронно-дырочный переход Варианты 1.1 – 1.12
- •Варианты 2.1 – 2.12
- •Варианты 3.1 – 3.5
- •Варианты 4.1 – 4.5
- •4.2. Структура металл-полупроводник Варианты 5.1 – 5.5
- •4.3. Структура металл-диэлектрик-полупроводник Варианты 6.1 – 6.5;
- •5. Некоторые Примеры расчетов электрофизических характеристик полупроводниковых структур
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Приложения п 1. Соотношения между некоторыми физическими единицами. Множители для образования дольных и кратных единиц
- •П 2. Некоторые физические постоянные
- •П 3. Основные параметры и свойства некоторых полупроводников и диэлектриков, применяемых в твердотельной электронике
- •П 4. Логарифмический масштаб
- •П 9. Темы рефератов
- •210202 – Проектирование и технология электронно-вычислительных средств,
- •140609 – Электрооборудование летательных аппаратов,
- •140610 – Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений
Предисловие
В решении важнейших задач современного развития различных отраслей науки и техники исключительно большая роль отводится твердотельной электронике, в частности, микроэлектронике, которая считается катализатором технического прогресса. Твердотельная электроника родилась на стыке многих фундаментальных и прикладных наук, прежде всего физики, химии, математики, материаловедения и др.
Специалист, работающий в области электроники и микроэлектроники, должен иметь знания о ее физических, технологических и схемотехнических основах.
Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку интегральных микросхем и принципов их применения.
Основной задачей микроэлектроники является комплексная миниатюризация электронной аппаратуры – вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. Современная технология позволяет резко расширить масштабы производства микроэлектронной аппаратуры, создать мощную индустрию информатики, удовлетворить потребности общества в информационном обеспечении.
Интегральные микросхемы, являющиеся основной элементной базой современной электроники, предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в единый корпус. Все или часть элементов создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления.
Элементы полупроводниковой интегральной микросхемы – диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы – представляют собой совокупность различных структур твердотельной электроники (полупроводниковых структур).
К ним относятся: контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления и процессы в таких полупроводниковых структурах хорошо изучены и детально рассмотрены в научной и технической литературе.
Выполнение студентами индивидуального задания при изучении дисциплин «Физические основы микроэлектроники», «Физические основы электроники» важно с точки зрения приобретения практических навыков расчета электрофизических характеристик полупроводниковых структур, а также развития навыков самостоятельной работы с научно-технической литературой и электронными образовательными ресурсами.
1. Основные сведения о физических явлениях и процессах в полупроводниковых структурах
1.1. Основные понятия и уравнения твердотельной электроники
Температурный потенциал
jТ=kT/q, (1.1)
где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура (при температуре T=300К температурный потенциал имеет значение jT=0,026В, или 26мВ), q – модуль заряда электрона.
Закон действующих масс
, (1.2)
где n – концентрация электронов; p – концентрация дырок; ni – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Закон справедлив в случае термодинамического равновесия как для собственных, так и для примесных полупроводников.
Условие электронейтральности
(1.3)
где NA, ND – концентрация ионизированных атомов акцепторной и донорной примесей соответственно.
Потенциал, характеризующий положение уровня Ферми в полупроводнике рассчитывается
jfp = j i - jобp (1.4 а)
или
jfn = j i + jобn, (1.4 б)
где ji – потенциал, соответствующий середине запрещенной зоны полупроводника:
jобp = jТ ln (p/ni), (1.5 а)
jобn = jТ ln(n/ni) (1.5 б)
– объемные потенциалы.
Таким образом, согласно данным выражениям, в собственных полупроводниках (n = p = ni) уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны, в электронных полупроводниках (n > ni) – в верхней половине, а в дырочных (р > ni) – в нижней половине запрещенной зоны.
Уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была, т. е. jf = const.
Закон полного тока в полупроводнике n-типа
, (1.6 а)
в полупроводнике р-типа
, (1.6 б)
где и – градиенты концентраций дырок и электронов; mp, mn – подвижности дырок и электронов соответственно; Dp и Dn – коэффициенты диффузии дырок и электронов; Е – напряженность внешнего электрического поля.
Соотношение Эйнштейна, показывающее связь между коэффициентом диффузии и подвижностью носителей заряда,
, (1.7 а)
(1.7 б)
в полупроводнике n- и p-типа соответственно.
Уравнение непрерывности для стационарных условий ( ), выражающее закон сохранения частиц,
, (1.8 а)
(1.8 б)
для полупроводников n - и p-типа, соответственно. Здесь n – n0 = Dn и р – р0 = Dр – избыточные (неравновесные) концентрации носителей заряда; g – скорость генерации носителей заряда под действием внешних факторов, например света; tn и tр – время жизни неравновесных носителей заряда.
Время жизни неравновесных носителей заряда tn и tр равно промежутку времени, в течение которого их концентрация уменьшается в е раз.
Диффузионная длина носителя заряда соответствует расстоянию, которое он проходит за время жизни и равна
(1.9 а)
и
, (1.9 б)
где Ln и Lp – диффузионная длина электронов и дырок, соответственно.
Уравнение Пуассона, позволяющее определить распределение потенциала в полупроводнике,
, (1.10)
где j – потенциал; x – координата; r(x) – объемная плотность заряда; es – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, e0 – электрическая постоянная.