Физическая электроника

Физическая электроника – это наука, изучающая электрофизические свойства материалов и структур, в частности, используемых при изготовлении электронных приборов и изделий интегральной электроники. Электронные приборы (ЭП) делят на пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, элементы коммутации цепей и пр.) и активные (обеспечивают преобразование вида энергии, усиление мощности сигнала или нелинейные преобразования какого-либо его параметра. К ним относятся диоды, транзисторы, тиристоры, ИС).

По поведению в электрическом поле материалы делятся на: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические. Проводник - вещество, обладающее высокой удельной проводимостью, малым или заданным удельным сопротивлением. Служат для проведения электрического тока (металлы высокой проводимости), изготовления резисторов, электронагревательных элементов (сплавы высокого сопротивления, полупроводниковые композиции)

Основным свойством для проводников является электропроводность (измеряется в См) или удельная проводимость (в См/м), которая с ростом температуры уменьшается (соответственно величина, обратная электропроводности,- сопротивление (Ом) (или удельное сопротивление (Ом×м)- возрастает). Металлы обладают наибольшей теплопроводностью. Магнитные материалы используются в качестве сердечников элементов индуктивности.

Наибольшим удельным сопротивлением обладают диэлектрики, которое при увеличении температуры уменьшается. Основным свойством диэлектриков является способность к поляризуемости, которая используется в активных диэлектриках (сегнето, пара-, пироэлектрики, электреты). Пассивные диэлектрики используются в качестве изоляции, а так же в конденсаторах (между двумя проводниковыми пластинами – слой диэлектрика).

Полупроводниками называются такие материалы, которые по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. В электронике находят применение ограниченное число веществ Si, Ge, GaAs Se. Многие применяют в качестве примесей B, P, S, As, Te, I и пр.). При температуре Т = 0 К удельное сопротивление полупроводника бесконечно большое (т.е. полупроводник превращается в диэлектрик). C повышением температуры проводимость увеличивается, т.к. увеличивается количество свободных носителей заряда. Электропроводность полупроводников зависит от концентрации и вида примесей, от внутренней структуры, от внешних воздействий (температура, свет, напряжение и т.д.). Именно полупроводники используются для производства активных ЭП. Кроме уд. проводимости и сопротивления, другими параметрами, характеризующими радиоматериалы являются тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая и магнитная проницаемость и много др. Удельное сопротивление зависит от температуры материала, и не зависит ни от длины, ни от площади сечения.

В некоторых материалах наблюдается свойство сверхпроводимости - при охлаждении их ниже определенной температуры Т _кр (или при определенной напряженности магнитного поля) удельное электрическое сопротивление уменьшается до нуля.

Вещества, применяемые в электронике, могут находиться как в твердом (основная масса ЭП), так и жидком (нефтяные масла для изоляции), и газообразном состоянии (воздушная изоляция и т.д.). Агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В газообразных веществах расстояние между молекулами во много раз больше размеров молекул. Молекулы перемещаются хаотически по всему занимаемому объему, собственным объемом не обладают. В жидких веществах (обладающих объемом, но не обл. формой) молекулы расположены беспорядочно возле друг друга. В твердых веществах (обл. собственным объемом и формой), молекулы расположены упорядоченно, вплотную друг к другу, они совершают хаотические колебания около положения равновесия.

При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое молекулы вещества не изменяются, а расположение и характер движения молекул вещества изменяются.

Твёрдые вещества подразделяют: по структуре на: кристаллические, и аморфные (канифоль, смолы, каучуки). Физические свойства аморфных веществ: нет постоянной температуры плавления, по мере повышения температуры размягчаются, изотропны, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой - подобны жидкостям. Стекло при повышенных температурах или давлении может расстекловываться и превращаться в аморфно-кристаллический материал, называемый ситаллом. К аморфно-кристаллическим относят также опал, оксид кремния, жидкие кристаллы при определенных температурах.

Кристаллические делятся на: поликристаллические (графит) и монокристаллические (алмаз) Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, хаотически ориентированных в разных направлениях (металлы и керамические материалы). Физические свойства:1) правильная форма, 2) постоянная температура плавления, 3) изотропия (т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям). Монокристаллы - крупные одиночные кристаллы Физические свойства:1) правильная геометрическая форма 2)постоянная температура плавления 3)анизотропия (свойства среды различны по всем направлениям).Твёрдые проводники преимущественно используются в поликристаллическом структурном состоянии. Твёрдые полупроводники - в монокристаллическом структурном состоянии. Твёрдые диэлектрики - в монокристаллическом и аморфном структурном состоянии.

Переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Применяемые в электронике П/П имеют монокристаллическую структуру, что означает, что по всему объему такого вещества атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Геометрический образ, описывающий трехмерную периодичность в размещении атомов в кристаллическом пространстве называется кристаллической решеткой. Внутреннее устройство кристаллов минерала, способ взаимного расположения составляющих их атомов, ионов, молекул называется кристаллической структурой. Габитус кристалла, придающий ему внешний облик называется кристаллографической формой. Число ближайших соседей, окружающих данный атом в кристаллической решетке и находящихся от него на одинаковом расстоянии, называется координационным числом. Кристаллическая решетка кремния и германия представляет собой наложение двух кубических гранецентрированных решёток. Идентификация плоскостей внутри кристалла осуществляется системой индексов Миллера. В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям Y и Z, индексы (001) – к плоскости, параллельной осям X и Y, а индексы (010) – к плоскости, параллельной осям X и Z. Направления обозначают теми же индексами, но в квадратных скобках. Положительное направление оси Х обозначают [100], положительное направление оси Y – [010], отрицательное направление оси Z – [00ī], диагональ куба [111].

Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. Реально наблюдаются отклонения расположения частиц. Отклонения могут быть временными (динамическими: механические, тепловые, ЭМ воздействие) и постоянными (статическими).

К статическим относят: Атомные (точечные) дефекты – проявляются в виде незанятых узлов решетки – вакансий, в виде смещений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. Дефекты по Френкелю характеризуются вакансиями и атомами в междоузлиях. Дефекты по Шоттки связаны с образованием вакансии и выходом атомов из узлов на поверхность кристалла. Примесные дефекты: примесные атомы располагаются в междоузлиях (примесь внедрения) или в узлах (примесь замещения). Искажение структуры кристалла, охватывающее достаточно большое число атомов в окрестности некоторой линии называется дислокацией. Дислокации (смещение) бывают краевые и винтовые. При повороте части кристалла на одно межатомное расстоянии в направлении некоторой оси появляется винтовая дислокация. Краевая возникает при сдвиге (скольжении) атомных плоскостей относительно друг друга). Дефекты и дислокации кристаллической решётки полупроводника появляются из-за несовершенства технологии выращивания кристаллов, из-за невозможности полностью очистить исходный материал от примесей. Дислокации уменьшают прочность кристалла, увеличивают проводимость, увеличивают пластичность. Трещины и поры относятся к поверхностным дефектам.

Все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, основными из которых являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны – отрицательный, равный по величине заряду протона, а нейтроны электрически нейтральны, их заряд равен нулю. Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра по орбитам движутся электроны. В нормальном состоянии атом содержит одинаковое число протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален. Число электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Количество электронов и орбит для каждого вещества совершенно определены. Так на первой внутренней орбите могут размещаться не более двух электронов, на следующих двух – по восемь, на четвертой – десять. На пятой - восемь Ge (Z=32): 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p². Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Они определяют химическую активность вещества, т.е. участвуют в создании химической связи между атомами. В образовании химических связей не участвуют электроны внутренней электронной оболочки атома. Виды химической связи, которые характерны для: проводников-металлическая, для полупроводников (Ge, Si) -ковалентная, (GaAs)- ковалентно-ионная), для диэлектриков (ионная, ковалентная, ков-ион.) Наиболее сильной является химическая связь ковалентная, наиболее слабой - молекулярная (органические соединения, отличающиеся низкими температурами плавления и кипения). В узлах кристаллической решетки с ковалентной связью находятся нейтральные атомы, с металлической связью находятся положительные ионы, в промежутках между которыми, находятся свободные электроны, с ионной связью находятся чередующиеся положительно и отрицательно заряженные ионы.

Атом называется возбужденным, если он поглотил квант энергии. Атом, электронная оболочка которого не заполнена, называется ионом. Атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительно заряженным ионом. Атом, который присоединил к себе один или несколько электронов становится отрицательно заряженным ионом. Процесс отрыва электрона от атома или присоединения к нему лишнего электрона называется ионизацией. В 1913 году Н. Бор установил, что атом излучает или поглощает энергию только при переходе из одного стационарного состояния в другое. Атом может испускать фотоны. Это происходит, потому что фотоны возникают при изменении состояния атома.

Де Бройль в 1923 году выдвинул гипотезу: движущиеся частицы обладают волновыми свойствами.

В 1900 году М. Планк выдвинул гипотезу: энергия электронов в атоме может принимать вполне определенные дискретные значения, изменения энергий может происходить только скачкообразно. Отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т.е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. Так как атом находится в кристалле, вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле. Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных называют – зоной проводимости. Значение энергии разрешенного энергетического уровня в атоме определяется номером разрешенной орбиты. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными зонами – области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Носители заряда, отвечающие за проводимость материала, могут находиться на энергетических уровнях зоны проводимости и валентной зоны. Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, с противоположными спинами. Вероятность заполнения уровня электроном описывается функцией распределения Ферми-Дирака, которая справедлива для электронов в полупроводнике, находящихся в равновесном состоянии (т.е. зависит только от температуры).

Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки.

Наибольшей шириной запрещенной зоны обладают диэлектрики (ΔW условно от 3 до 10 эВ), к полупроводникам относят вещества с ΔW от 0,1 до 3 эВ. Запрещённая зона у проводников отсутствует на энергетической диаграмме, т.к. валентная зона и зона проводимости перекрываются. Запрещённая зона у полупроводников с повышением температуры уменьшается. Как уже говорилось при Т=0К полупроводник не обладает проводимостью, ведет себя как диэлектрик. Для появления электропроводности нужно электроны перевести из валентной зоны в зону проводимости (для этого повысить температуру, подать энергию эл. или магнитного поля, осветить кристалл). Незаполненные электронами уровни в валентной зоне образуют второй тип носителей заряда, равный по величине электрону проводимости, но имеющий положительный заряд – дырки. Носители заряда в полупроводнике, которые могут перемещаться по кристаллу, называются электронами проводимости. Дырки не перемещаются. Процесс одновременного образования свободных электронов проводимости и дырок называется генерацией.

С увеличением температуры полупроводника концентрации дырок (в валентной зоне) и электронов проводимости (в зоне проводимости) увеличатся. Рекомбинация - это столкновение дырки и электрона проводимости, приводящее к их исчезновению и образованию нейтрального атома. Нейтральный атом – это атом, у которого заполнены все ковалентные связи.

При фононной рекомбинации избыточная энергия электрона передаётся кристаллической решётке полупроводника, при фотонной рекомбинации избыточная энергия электрона излучается в виде квантов света. Так же рекомбинация бывает межзонная (при одновременном нахождении в одном и том же месте кристалла электрона проводимости и дырки, одинаковых, но противоположно направленных, импульсах электрона проводимости и дырки) и с помощью рекомбинационных ловушек, в качестве которых могут выступать примесные атомы и ионы (часто примесь золота), трещины, поверхностные и объемные дефекты. Значительно интенсивнее идет процесс рекомбинации на поверхности полупроводника.

При описании процессов переноса заряда в полупроводнике пользуются следующими параметрами:

• Эффективные массы электронов проводимости m_n и дырок m_p, которые не совпадают с массой свободного электрона и зависят от направления движения заряженных частиц, учитывают сложный характер взаимодействия электрона с кристаллической решеткой при его движении под действием силы внешнего электрического поля.

• Характеристическая длина - это среднее расстояние, проходимое носителем до рекомбинации (диффузионная длина)

• Время жизни носителей заряда в полупроводнике, чем оно больше, тем менее быстродействующим будет электронный прибор

• Подвижности электронов и дырок в полупроводнике, которые с ростом температуры сначала увеличиваются, затем уменьшаются (меньше становится степеней свободы). С увеличением концентрации примесей подвижность носителей заряда уменьшается. Большей подвижностью в полупроводнике обладают электроны.

• энергия Ферми – уровень Ферми , энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна ½.

На энергетической диаграмме собственного полупроводника (i-типа, безпримесного, например, 4- валентного кремния или германия) уровень Ферми находится вблизи середины запрещённой зоны. В собственном полупроводнике концентрации электронов проводимости и дырок находятся в следующей зависимости n_i=p_i и с ростом температуры увеличиваются. Концентрация собственных носителей больше в полупроводнике с меньшей шириной запрещённой зоны, т.е. например у германия (ΔW=0,7 эВ , n_i=10¹⁹м^-3), по сравнению с кремнием (ΔW=1,12 эВ , n_i=10¹⁵м^-3), или арсенидом галлия (ΔW=1,43 эВ , n_i=10¹²м^-3),

В собственных полупроводниках при температуре Т=0 К валентная зона полностью заполнена электронами, в зоне проводимости их нет. при Т>0 К в валентной зоне есть небольшое количество дырок, в зоне проводимости – небольшое количество электронов.Появление собственной электропроводности в примесных полупроводниках ухудшает параметры электронного прибора.

Процесс контролируемого внедрения примесей в полупроводник называется легированием. Управлять электропроводностью кристалла могут примеси внедрения и замещения. Фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (5 валентные)– наиболее распространенные вещества, применяемые для кристаллов кремния и германия в качестве донорных примесей. Легирование собственного полупроводника донорной примесью изменяет проводимость полупроводника на электронную (n-типа). При ионизации донорного атома возникают подвижные носители заряда электроны проводимости - основные носители заряда, в этом случае в полупроводнике остаются и дырки- неосновные.

Бор, алюминий, галлий, индий(III-валентные) – наиболее распространенные вещества, применяемые для кристаллов кремния и германия в качестве акцепторных примесей Легирование собственного полупроводника акцепторной примесью изменяет проводимость полупроводника на дырочную (р-типа), основные носители заряда – дырки, неосновные – электроны,т.е. с увеличением концентрации акцепторной примеси концентрация дырок увеличится, концентрация электронов проводимости уменьшится. Энергия ионизации примесных атомов меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника. Удельное сопротивление примесных полупроводников (хоть p-, хоть n‑ типа) меньше, чем собственных, соответственно проводимость больше.

На энергетической диаграмме полупроводника р–типа уровень Ферми располагается в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны. С увеличением концентрации акцепторной примеси в полупроводнике уровень Ферми приблизится к потолку валентной зоны. Уровень Ферми на энергетической диаграмме полупроводника р-типа при увеличении концентрации акцепторной примеси выше критической заходит в валентную зону (вырожденные п/п).

На энергетической диаграмме полупроводника n–типа уровень Ферми располагается в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости. С увеличением концентрации донорной примеси в полупроводнике уровень Ферми приблизится ко дну зоны проводимости. Уровень Ферми на энергетической диаграмме полупроводника n-типа при увеличении концентрации донорной примеси выше критической заходит в зону проводимости (вырожденные п/п).

Уровень Ферми при повышении температуры смещается в направлении середины запрещенной зоны. Процесс переноса заряда в полупроводнике может наблюдаться при наличии электронов как в зоне проводимости, так и в валентной зоне. Движение носителя заряда под действием электрического поля в кристалле полупроводника называется дрейфом. Векторы скорости дрейфа дырок и напряжённости электрического поля сонаправлены. Векторы скорости дрейфа электронов проводимости и напряжённости электрического поля направлены противоположно.

Плотность дрейфового тока J_др в полупроводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, обратно пропорциональна удельному сопротивлению (закон Ома в дифференциальной форме j_др = sЕ, где s - удельная проводимость.) При увеличении напряженности электрического поля при постоянной удельной электропроводности полупроводника увеличивается плотность электрического тока.

Направленное движение носителей заряда в полупроводнике, обусловленное неравномерным их распределением, называется диффузией. Вектор плотности тока диффузии дырок направлен в направлении уменьшения концентрации дырок. Вектор плотности тока диффузии электронов проводимости направлен в направлении уменьшения концентрации электронов проводимости.

Отдельные собственные или примесные полупроводники для изготовления электронных приборов применяются редко, в основном используются электрические переходы: электронно-дырочный (р-n-переход)-ВАХ₁, гетеропереход- ВАХ₁, переход металл-полупроводник (омические (невыпрямляющий- ВАХ₂) или Шоттки (выпрямляющий-ВАХ₁)). В невыпрямляющем переходе "металл-полупроводник" приконтактный слой полупроводника обогащен основными носителями и по сравнению с удельным сопротивлением объема полупроводника, обладает малым удельным сопротивлением. Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника р-типа А_р для невыпрямляющего контакта соотносятся A_м > A_p. Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника n-типа А_n для невыпрямляющего контакта соотносятся А_м < A_{n .}

Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника р-типа А_р для выпрямляющего контакта соотносятся А_м < A_{p ,}и А_м <<A_{p .} Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника n-типа А_n для выпрямляющего контакта соотносятся A_м > A_n и А_м >>A_{n .}Приборы на основе перехода Шоттки отличаются от приборов с p-n-переходом следующими параметрами: более высокий обратный ток, более лучшие динамические свойства, более низкое прямое напряжение.

Гетеропереход -переходный слой между двумя различными по химическому составу полупроводниками (Ge-GaAs), основной метод изготовления- эпитаксиальное наращивание.

р-n-переход – переход созданный в одном кристалле полупроводника методом диффузии донорных примесей- с одной стороны и акцепторных - с другой, либо методом эпитаксиального наращивания на пластину р-типа, эпитаксиальной пленки n-типа. Возможно изготовление переходов методом сплавления. В гетеропереходах, образованных полупроводниками с одним типом электропроводности выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда. В гетеропереходах, образованных полупроводниками с различным типом электропроводности, инжекция неосновных носителей происходит всегда из широкозонного полупроводника в узкозонный.

В р-n-переходе - области, окружающей границу раздела p- и n- областей полупроводникового кристалла, наиболее высокоомной частью является обедненная носителями область самого перехода. Нескомпенсированный положительный заряд ионов примеси сосредоточен в р-n переходе со стороны n-области, отрицательный -со стороны р-области. Напряжённость внутреннего электрического поля в р–п–переходе направлена из n–области в р–область.

Максимум модуля напряжённости электрического поля в р-n переходе находится на границе раздела р- и n- областей. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода называют резким переходом, а больше – плавным.

В р-n-переходе при отсутствии внешних напряжений токи дрейфа и диффузии равны по модулю и противоположны по направлению. На энергетической диаграмме р–n–перехода, находящегося в состоянии равновесия, уровень Ферми в р– и n–области имеет одинаковые значения. В состоянии равновесия (при напряжении U=0) между полупроводниками р и n типа образуется контактная разность потенциалов φ _к (высота потенциального барьера), которая при прямом включении уменьшается на величину поданного напряжения U _пр, а при обратном увеличивается на величинуU_обр. Увеличивается она и при повышении концентрации примесей. При одних и тех же концентрациях примесей (Na и Nd) высота потенциального барьера больше в переходах с большей шириной запрещенной зоны.

Другим параметром p-n-перехода является ширина перехода (толщина обеднённого слоя δ), которая с увеличением концентрации акцепторной примеси в р–области или концентрации донорной примеси в n–области р–n–перехода уменьшится. Уменьшится она и при прямом включении p-n-перехода. Соответственно- при обратном- увеличится. При прямом включении p-n-перехода к p-области подключен плюс источника питания, к n-области – минус, при обратном включении наоборот.

В р–n–переходе, включенном в прямом направлении, преобладает диффузионная составляющая тока,т.е. происходит процесс инжекции носителей заряда- диффузия основных носителей под действием разности концентраций, при этом возрастает ток основных носителей заряда, напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода. Движение носителей из р-области в n-область под действием градиента концентрации называется диффузией дырок, Движение носителей из n-области в p-область под действием градиента концентрации называется диффузией электронов.