Gurtov_TE

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

09.02.2015

Размер:

3.7 Mб

Скачать

☆

1 / 511 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

В. А. Гуртов

Твердотельная электроника

Учебное пособие Издание второе, исправленное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением

по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению бакалавров, магистров 010700 «ФИЗИКА» и специальностям 010701 «ФИЗИКА»

Москва 2005

ББК УДК 539.2

УДК 539.2

Рецензенты:

Кафедра микроэлектроники Московского инженерно-физического института (государственного университета)

Попов В. Д., доктор технических наук, профессор Кафедра физики и молекулярной электроники Московского государственного университета Кашкаров П. К., доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой

Центр подготовки специалистов ОАО «Светлана» Урицкий В.Я., доктор физико-математических наук, профессор,

руководитель Центра

Гуртов, В. А.

Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. – Москва, 2005. –

492с.

Вучебном пособии рассматриваются основные типы полупроводниковых приборов и физические процессы, обеспечивающие их работу. Приводится анализ электронных процессов в объеме полупроводников, в электрон- но-дырочных переходах и в области пространственного заряда на поверхности полупроводников. Подробно рассмотрены характеристики диодов, транзисторов, тиристоров, лавинно-пролетных диодов, светодиодов, полупроводниковых лазеров и фотоприемников, как на основе кремния Si, так и на перспективных материалах GaAs, GaN, SiC и их соединений. Рассмотрен квантовый эффект Холла, микроминиатюризация и приборы наноэлектроники, характеристики полупроводниковых приборов при экстремальных температурах.

Учебное пособие рассчитано на широкий спектр направлений обучения на студентов классических и технических университетов, специализирующихся в области физики, микроэлектроники и электронной техники. Оно может быть полезно аспирантам и научным сотрудникам.

УДК 539.2

Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ...........................................	13
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ .............................................	14
ГЛАВА 1. НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО
ТЕЛА И ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.............................	16
1.1. Зонная структура полупроводников..................................................................	16
1.2. Терминология и основные понятия...................................................................	17
1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках....................................	19
1.3.1. Распределение квантовых состояний в зонах.................................................	19
1.3.2. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми......................	21
1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике..........	23
1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике ............	24
1.6. Определение положения уровня Ферми............................................................	26
1.7. Проводимость полупроводников........................................................................	27
1.8. Токи в полупроводниках......................................................................................	28
1.9. Неравновесные носители.....................................................................................	29
1.10. Уравнение непрерывности ................................................................................	32
Контрольные вопросы.................................................................................................	33
Задачи.............................................................................................................................	34
ГЛАВА 2. БАРЬЕРЫ ШОТТКИ, P-N ПЕРЕХОДЫ
И ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ...........................................................	36
2.1. Ток термоэлектронной эмиссии..........................................................................	36
2.2. Термодинамическая работа выхода в полупроводниках p- и n-типов........	38
2.3. Эффект поля...........................................................................................................	40
2.4. Концентрация электронов и дырок в области пространственного заряда 42

2.5. Дебаевская длина экранирования......................................................................	43
2.6. Барьер Шоттки......................................................................................................	45
2.7. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении..................	46
2.8. Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки ......	47
2.9. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки ........................................	50
2.10. Электронно-дырочный р-n переход.................................................................	51
2.10.1. Распределение свободных носителей в p-n переходе..................................	53
2.10.3. Поле и потенциал в p-n переходе...................................................................	54
2.11. Компоненты тока и квазиуровни Ферми в р-n переходе .............................	58
2.12. Вольт-амперная характеристика р-n перехода..............................................	61
2.13. Гетеропереходы....................................................................................................	66
Контрольные вопросы.................................................................................................	73
Задачи.............................................................................................................................	74
ГЛАВА 3. ФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ И МДП-СТРУКТУРЫ..................	76
3.1. Область пространственного заряда (ОПЗ) в равновесных условиях..........	76
3.1.1. Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника в
равновесных условиях......................................................................................	76
3.2. Заряд в области пространственного заряда......................................................	81
3.2.1. Уравнение Пуассона для ОПЗ..........................................................................	81
3.2.2. Выражение для заряда в ОПЗ...........................................................................	83
3.2.3. Избыток свободных носителей заряда............................................................	84
3.2.4. Среднее расстояние локализации свободных носителей от поверхности
полупроводника.................................................................................................	88
3.2.5. Форма потенциального барьера на поверхности полупроводника...............	90
3.3. Емкость области пространственного заряда....................................................	92
3.4. Влияние вырождения на характеристики ОПЗ полупроводника................	95
3.5. Поверхностные состояния ...................................................................................	97
3.5.1. Основные определения.....................................................................................	97
3.5.2. Природа поверхностных состояний ................................................................	98
3.5.3. Статистика заполнения ПС ..............................................................................	99
3.6. Вольт-фарадные характеристики структур МДП.........................................	101

3.6.1. Устройство МДП-структур и их энергетическая диаграмма......................	101
3.6.2. Уравнение электронейтральности.................................................................	103
3.6.3. Емкость МДП-структур..................................................................................	107
3.6.4. Экспериментальные методы измерения вольт-фарадных характеристик..109
Квазистатический C-V метод...................................................................................	110
Метод высокочастотных C-V характеристик.........................................................	111
3.6.5. Определение параметров МДП-структур на основе анализа
C-V характеристик..........................................................................................	112
3.6.6. Определение плотности поверхностных состояний на границе раздела
полупроводник – диэлектрик.........................................................................	116
3.7. Флуктуации поверхностного потенциала в МДП-структурах....................	121
3.7.1. Виды флуктуаций поверхностного потенциала...........................................	121
3.7.2. Конденсаторная модель Гоетцбергера для флуктуаций поверхностного
потенциала.......................................................................................................	124
3.7.3. Среднеквадратичная флуктуация потенциала, обусловленная системой
случайных точечных зарядов.........................................................................	126
3.7.4. Потенциал, создаваемый зарядом, находящимся на границе двух сред с
экранировкой...................................................................................................	127
3.7.5. Потенциальный рельеф в МДП-структуре при дискретности элементарного
заряда................................................................................................................	131
3.7.6. Функция распределения потенциала при статистических флуктуациях ...	133
3.7.7. Зависимость величины среднеквадратичной флуктуации от параметров
МДП-структуры..............................................................................................	135
3.7.8. Пространственный масштаб статистических флуктуаций..........................	137
3.7.9. Сравнительный анализ зависимости среднеквадратичной флуктуации σψ и
потенциала оптимальной флуктуации ..........................................................	142
Контрольные вопросы...............................................................................................	144
Задачи...........................................................................................................................	144
ГЛАВА 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ.....................................	147
Введение.......................................................................................................................	147
4.1. Характеристики идеального диода на основе p-n перехода.........................	147
4.1.1. Выпрямление в диоде.....................................................................................	148
4.1.2. Характеристическое сопротивление..............................................................	149
4.1.3. Эквивалентная схема диода ...........................................................................	150
4.2. Варикапы..............................................................................................................	151
4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на
характеристики реальных диодов....................................................................	152
4.3.1. Влияние генерации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода на
обратный ток диода.........................................................................................	154
	5

4.3.2. Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода на
прямой ток диода ............................................................................................	156
4.3.3. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики
...........................................................................................................................	158
4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов .......................................	160
4.4. Стабилитроны......................................................................................................	161
4.4.1. Туннельный пробой в полупроводниках ......................................................	162
4.4.2. Лавинный пробой в полупроводниках..........................................................	165
4.4.3. Приборные характеристики стабилитронов.................................................	166
4.5. Туннельный и обращенный диоды..................................................................	167
4.5.1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода...................................	169
4.5.2. Вольт-амперная характеристика обращенного диода..................................	172
4.5.3. Использование туннельного диода в схемах автогенераторов колебаний 173
4.6. Переходные процессы в полупроводниковых диодах..................................	174
Контрольные вопросы...............................................................................................	178
Задачи...........................................................................................................................	179
ГЛАВА 5. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.........................................	180
5.1. Общие сведения ...................................................................................................	180
5.2. Основные физические процессы в биполярных транзисторах...................	183
5.2.1. Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи
...........................................................................................................................	185
5.3. Формулы Молла – Эберса..................................................................................	186
5.4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в активном
режиме в схеме с общей базой...........................................................................	188
5.5. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме
с общей базой........................................................................................................	190
5.5.1. Коэффициент инжекции.................................................................................	191
5.5.2. Коэффициент переноса...................................................................................	192
5.5.3. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода........................	195
5.5.4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.....................	195
5.5.5. Коэффициент обратной связи........................................................................	197
5.5.6. Объемное сопротивление базы......................................................................	199
5.5.7. Тепловой ток коллектора................................................................................	200
5.6. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером..................................	201
5.7. Эквивалентная схема биполярного транзистора..........................................	204

5.8. Эффект оттеснения тока эмиттера...................................................................	206
5.9. Составные транзисторы.....................................................................................	208
5.10. Дрейфовые транзисторы..................................................................................	210
5.11. Параметры транзистора как четырехполюсника.......................................	215
5.11.1. z-, y-, h-параметры.........................................................................................	215
5.11.2. Связь h-параметров с физическими параметрами......................................	218
5.12. Частотные и импульсные свойства транзисторов......................................	220
5.12.1. Частотная зависимость комплексного коэффициента переноса...............	223
5.12.2. Представление частотной зависимости коэффициента передачи
RC-цепочкой....................................................................................................	226
5.12.3. Частотная зависимость коэффициента β в схеме с общим эмиттером.....	229
5.12.4.Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах............................	232
5.13. Биполярные транзисторы с гетеропереходами............................................	233
5.13.1. Типовая структура ГБТ на GaAS .................................................................	233
5.13.2. Биполярные транзисторы с гетеропереходами на соединениях с фосфидом
индия................................................................................................................	234
Контрольные вопросы...............................................................................................	235
Задачи...........................................................................................................................	235
ГЛАВА 6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ................................................	236
6.1. Типы и устройство полевых транзисторов.....................................................	236
6.2. Принцип работы МДП-транзистора................................................................	237
6.3. Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе ...........................................	239
6.4. Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала...............	241
6.5. Характеристики МДП-транзистора в области отсечки...............................	245
6.6. Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики
МДП-транзисторов..............................................................................................	249
6.7. Эффект смещения подложки.............................................................................	250
6.8. Малосигнальные параметры............................................................................	252
6.9. Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора......................	254
6.10. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик................	256
	7

6.11. Топологические реализации МДП-транзисторов........................................	257
6.12. Размерные эффекты в МДП-транзисторах...................................................	260
6.13. Подпороговые характеристики МДП-транзистора ....................................	264
6.13.1. Учет диффузионного тока в канале.............................................................	266
6.13.2. Неравновесное уравнение Пуассона............................................................	267
6.13.3. Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях.................	269
6.13.4. Вольт-амперная характеристика МДП-транзистора в области сильной
и слабой инверсии...........................................................................................	273
6.14. МДП-транзистор как элемент памяти...........................................................	278
6.14.1. МНОП-транзистор ........................................................................................	281
6.14.2. МОП ПТ с плавающим затвором.................................................................	282
6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода..................................	285
6.16. СВЧ полевые транзисторы с барьером Шоттки..........................................	289
6.16.1. GaAs полевой транзистор с барьером Шоттки...........................................	289
6.16.2. GaN полевой транзистор с гетеропереходом..............................................	293
6.16.3. Монолитные интегральные схемы с СВЧ полевыми транзисторами.......	295
Контрольные вопросы...............................................................................................	296
Задачи...........................................................................................................................	297
ГЛАВА 7. ТИРИСТОРЫ.........................................................................	298
7.1. Общие сведения ...................................................................................................	298
7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора.................................	301
7.2.1. Феноменологическое описание ВАХ динистора..........................................	302
7.2.2. Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии......	305
7.2.3. Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера...........................	307
7.2.4. Зависимость коэффициента М от напряжения VG. Умножение в
коллекторном переходе..................................................................................	308
7.3. Тринистор .............................................................................................................	309
7.3.1. Феноменологическое описание ВАХ тринистора........................................	311
7.3.2. Симметричные тринисторы ...........................................................................	312
7.4. Однопереходные транзисторы..........................................................................	313
Контрольные вопросы...............................................................................................	315
ГЛАВА 8. ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ ......................................	316

8.1. Общие сведения ...................................................................................................	316
8.2. Устройство и зонная диаграмма.......................................................................	317
8.3. Малосигнальные характеристики...................................................................	319
8.4. Использование ЛПД для генерации СВЧ-колебаний...................................	323
8.5. Коммутационные pin-диоды..............................................................................	326
Контрольные вопросы...............................................................................................	330
ГЛАВА 9. ДИОДЫ ГАННА.....................................................................	331
9.1. Общие сведения ...................................................................................................	331
9.2. Требования к зонной структуре полупроводников.......................................	331
9.3. Статическая ВАХ арсенида галлия .................................................................	334
9.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным
дифференциальным сопротивлением .............................................................	337
9.5. Генерация СВЧ-колебаний в диодах Ганна ...................................................	342
Контрольные вопросы...............................................................................................	344
ГЛАВА 10. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.................................	345
10.1. Оптические переходы.......................................................................................	345
10.2. Излучательная рекомбинация........................................................................	347
10.3. Методы инжекции.............................................................................................	347
10.3.1. Условие односторонней инжекции в p-n переходе....................................	347
10.3.2. Условие односторонней инжекции в гетеропереходе................................	348
10.4. Светодиоды.........................................................................................................	348
10.4.1. Светодиоды видимого диапазона................................................................	349
10.4.2. Светодиоды инфракрасного диапазона.......................................................	355
10.4.3. Голубые светодиоды на соединениях нитрида галлия ..............................	355
10.5. Полупроводниковые лазеры ...........................................................................	357
10.5.1. Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера................	359
10.5.2. Лазеры на гетероструктурах.........................................................................	361
Контрольные вопросы...............................................................................................	365
	9

Задачи...........................................................................................................................	366
ГЛАВА 11. ФОТОПРИЕМНИКИ ............................................................	367
11.1. Статистические параметры фотодетекторов...............................................	367
11.2. Материалы для фотоприемников...................................................................	369
11.3. Фоторезисторы...................................................................................................	371
11.4. Фотодиоды на основе p-n перехода.................................................................	374
11.4.1. Общие сведения.............................................................................................	374
11.4.2. Вольт-амперная характеристика фотодиода...............................................	377
11.4.3. Спектральная чувствительность..................................................................	380
11.4.4. p-i-n фотодиоды.............................................................................................	382
11.4.5. Лавинные фотодиоды ...................................................................................	385
11.5. Фототранзисторы ..............................................................................................	388
11.6. МДП-фотоприемники с неравновесным обеднением.................................	390
11.6.1. Механизмы генерации неосновных носителей в области
пространственного заряда..............................................................................	390
11.6.2. Время релаксации неравновесного обеднения...........................................	404
11.6.3. Дискретные МДП-фотоприемники..............................................................	408
11.6.4. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)...........................	410
Контрольные вопросы...............................................................................................	414
Задачи...........................................................................................................................	414
ГЛАВА 12. КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА В ДВУМЕРНОМ
ЭЛЕКТРОННОМ ГАЗЕ..........................................................	415
12.1. Двумерные электроны......................................................................................	415
12.1.1. Уравнение Шредингера для электрона в ОПЗ............................................	415
12.1.2. Плотность состояний в двумерной подзоне ...............................................	417
12.1.3. Расчет концентрации n(z) с учетом квантования.......................................	418
12.1.4. Спектр энергий и вид волновых функций в ОПЗ.......................................	419
12.1.5. Диаграмма состояния электронного газа в инверсионном канале ...........	425
12.2. Квантовый эффект Холла................................................................................	426
12.2.1. Зависимость ЭДС Холла от параметров инверсионного канала...............	426
12.2.2. Циклотронная частота ..................................................................................	427
12.2.3. Спектр энергии двумерных электронов в поперечном магнитном ..поле 428
12.2.4. Число состояний для электронов на уровне Ландау..................................	429
12.2.5. Плотность электронов в 2D электронном газе в сильном магнитном поле
...........................................................................................................................	430

1 / 511 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
09.02.20151.63 Mб39Golitsynsky_Sbornik_upr_po_grammatike.doc
#
19.11.2018340.99 Кб11gost_P_7.0.5.-2008.doc
#
09.02.2015981.33 Кб79Gosy_-_otvety3.docx
#
09.02.20151.76 Mб16GreenEnergyStorageSystem.pdf
#
09.02.2015708.46 Кб11Gruber.pdf
#
09.02.20153.7 Mб50Gurtov_TE.pdf
#
09.02.20157.01 Mб86h2.doc
#
14.11.2018366.08 Кб20Himia_otvety.doc
#
09.02.20151.02 Mб13himia_shpora_mini-1_rewrite.doc
#
09.02.20151.23 Mб24himia_shpora_mini.doc
#
16.09.20191.26 Mб10himiya ekzamen.doc