Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Запорожский национальный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

gurtov

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.02.2016

Размер:

3.72 Mб

Скачать

☆

1 / 411 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 >>>

Содержание

Предисловие ко второму изданию.......................................................................	9
Предисловие к первому изданию ......................................................................	10
Глава 1. Необходимые сведения из физики твердого тела и физики
полупроводников ........................................................................................	12
1.1. Зонная структура полупроводников ........................................................	12
1.2. Терминология и основные понятия.........................................................	13
1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках..............................	14
1.3.1. Распределение квантовых состояний в зонах .................................	14
1.3.2.Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми.......	16
1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике....	18
1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике ......	19
1.6. Определение положения уровня Ферми..................................................	20
1.7. Проводимость полупроводников.............................................................	21
1.8. Токи в полупроводниках ..........................................................................	22
1.9. Неравновесные носители .........................................................................	23
1.10. Уравнение непрерывности .....................................................................	25
Контрольные вопросы ....................................................................................	26
Задачи...............................................................................................................	27
Глава 2. Барьеры Шоттки, p-n-переходы и гетеропереходы ...................................	29
2.1. Ток термоэлектронной эмиссии ..............................................................	29
2.2. Термодинамическая работа выхода в полупроводниках p- и n-типов ...	31
2.3. Эффект поля..............................................................................................	32
2.4. Концентрация электронов и дырок в области пространственного
заряда.........................................................................................................	34
2.5. Дебаевская длина экранирования............................................................	34
2.6. Барьер Шоттки..........................................................................................	36
2.7. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении ............	37
2.8. Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки..	38
2.9. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки..................................	40
2.10. Электронно-дырочный р-n-переход ......................................................	41
2.10.1. Распределение свободных носителей в p-n-переходе ...................	42
2.10.2. Поле и потенциал в p-n-переходе ..................................................	44
2.11. Компоненты тока и квазиуровни Ферми в р-n-переходе......................	47
2.12. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода......................................	49
2.13. Гетеропереходы .......................................................................................	53
Контрольные вопросы ....................................................................................	59
Задачи...............................................................................................................	59
Глава 3. Физика поверхности и МДП-структуры....................................................	61
3.1. Область пространственного заряда (ОПЗ) в равновесных условиях......	61
3.1.1.Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника
в равновесных условиях....................................................................	61
3.2. Заряд в области пространственного заряда .............................................	65
3.2.1. Уравнение Пуассона для ОПЗ .........................................................	65
3.2.2. Выражение для заряда в ОПЗ...........................................................	66
3.2.3. Избыток свободных носителей заряда ............................................	68

Gurtov.indd 3

17.11.2005 12:27:16

Содержание
3.2.4. Среднее расстояние локализации свободных носителей
от поверхности полупроводника......................................................	71
3.2.5.Форма потенциального барьера на поверхности полупроводника 73
3.3. Емкость области пространственного заряда ...........................................	74
3.4. Влияние вырождения на характеристики ОПЗ полупроводника...........	77
3.5. Поверхностные состояния .......................................................................	79
3.5.1. Основные определения ....................................................................	79
3.5.2. Природа поверхностных состояний ................................................	80
3.5.3. Статистика заполнения ПС .............................................................	81
3.6. Вольт-фарадные характеристики структур МДП....................................	82
3.6.1.Устройство МДП-структур и их энергетическая диаграмма ..........	82
3.6.2. Уравнение электронейтральности...................................................	84
3.6.3. Емкость МДП-структур ...................................................................	88
3.6.4.Экспериментальные методы измерения вольт-фарадных
характеристик....................................................................................	89
3.6.5. Определение параметров МДП-структур на основе анализа
C-V-характеристик............................................................................	92
3.6.6.Определение плотности поверхностных состояний на границе
раздела полупроводник – диэлектрик .............................................	95
3.7. Флуктуации поверхностного потенциала в МДП-структурах................	99
3.7.1. Виды флуктуаций поверхностного потенциала ..............................	99
3.7.2.Конденсаторная модель Гоетцбергера для флуктуаций
поверхностного потенциала ............................................................	102
3.7.3. Среднеквадратичная флуктуация потенциала, обусловленная
системой случайных точечных зарядов...........................................	103
3.7.4. Потенциал, создаваемый зарядом, находящимся на границе двух
сред с экранировкой ........................................................................	105
3.7.5.Потенциальный рельеф в МДП-структуре при дискретности
элементарного заряда.......................................................................	108
3.7.6. Функция распределения потенциала при статистических
флуктуациях .....................................................................................	109
3.7.7. Зависимость величины среднеквадратичной флуктуации от
параметров МДП-структуры ...........................................................	111
3.7.8.Пространственный масштаб статистических флуктуаций ............	113
3.7.9.Сравнительный анализ зависимости среднеквадратичной
флуктуации σψ и потенциала оптимальной флуктуации ................	117
Задачи..............................................................................................................	119
Глава 4. Полупроводниковые диоды .......................................................................	120
Введение..........................................................................................................	120
4.1. Характеристики идеального диода на основе p-n-перехода ..................	120
4.1.1. Выпрямление в диоде ......................................................................	120
4.1.2. Характеристическое сопротивление ..............................................	122
4.1.3. Эквивалентная схема диода ............................................................	123
4.2. Варикапы..................................................................................................	123
4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления
базы на характеристики реальных диодов ..............................................	125
4.3.1. Влияние генерации неравновесных носителей в ОПЗ
p-n-перехода на обратный ток диода...............................................	126
4.3.2.Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ
p-n-перехода на прямой ток диода ..................................................	128
4.3.3.Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые
характеристики.................................................................................	129
4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов .........................	131

Gurtov.indd 4

17.11.2005 12:27:25

Содержание
4.4. Стабилитроны ..........................................................................................	132
4.4.1. Туннельный пробой в полупроводниках........................................	133
4.4.2. Лавинный пробой в полупроводниках ...........................................	136
4.4.3. Приборные характеристики стабилитронов ..................................	137
4.5. Туннельный и обращенный диоды .........................................................	138
4.5.1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода.....................	139
4.5.2. Вольт-амперная характеристика обращенного диода ...................	141
4.5.3. Использование туннельного диода в схемах автогенераторов
колебаний .........................................................................................	142
4.6. Переходные процессы в полупроводниковых диодах............................	144
Контрольные вопросы ...................................................................................	147
Задачи..............................................................................................................	147
Глава 5. Биполярные транзисторы..........................................................................	148
5.1. Общие сведения .......................................................................................	148
5.2. Основные физические процессы в биполярных транзисторах .............	150
5.2.1. Физические процессы и зонная диаграмма ...................................	150
5.2.2. Токи в биполярном транзисторе в схеме с общей базой................	152
5.3. Формулы Молла – Эберса.......................................................................	153
5.4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора
в активном режиме в схеме с общей базой .............................................	155
5.5. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме
с общей базой ...........................................................................................	156
5.5.1. Коэффициент инжекции ................................................................	157
5.5.2. Коэффициент переноса ..................................................................	158
5.5.3. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода..........	160
5.5.4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода ......	161
5.5.5. Коэффициент обратной связи ........................................................	162
5.5.6. Объемное сопротивление базы.......................................................	164
5.5.7. Тепловой ток коллектора ................................................................	164
5.6. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером ...........................	165
5.7. Эквивалентная схема биполярного транзистора....................................	168
5.8. Эффект оттеснения тока эмиттера..........................................................	169
5.9. Составные транзисторы...........................................................................	171
5.10. Дрейфовые транзисторы........................................................................	173
5.11. Параметры транзистора как четырехполюсника..................................	177
5.11.1. Параметры z, y, h............................................................................	177
5.11.2. Связь h-параметров с физическими параметрами.......................	180
5.12. Частотные и импульсные свойства транзисторов ................................	181
5.12.1. Частотная зависимость комплексного коэффициента
переноса............................................................................................	184
5.12.2. Представление частотной зависимости коэффициента
передачи RC-цепочкой ....................................................................	186
5.12.3. Частотная зависимость коэффициента β в схеме с общим
эмиттером .........................................................................................	188
5.12.4. Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах .............	190
5.13. Биполярные транзисторы с гетеропереходами.....................................	191
5.13.1. Типовая структура ГБТ на GaAs ...................................................	191
5.13.2. Биполярные транзисторы с гетеропереходами на соединениях
с фосфидом индия............................................................................	192
Контрольные вопросы ...................................................................................	193
Задачи..............................................................................................................	193

Gurtov.indd 5

17.11.2005 12:27:26

Содержание
Глава 6. Полевые транзисторы ...............................................................................	194
6.1. Типы и устройство полевых транзисторов .............................................	194
6.2. Принцип работы МДП-транзистора ......................................................	195
6.3. Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе....................................	196
6.4. Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала ...........	198
6.5. Характеристики МДП-транзистора в области отсечки .........................	201
6.6. Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики
МДП-транзисторов .................................................................................	204
6.7. Эффект смещения подложки ..................................................................	205
6.8. Малосигнальные параметры ...................................................................	206
6.9. Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора.................	209
6.10. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик............	210
6.11. Топологические реализации МДП-транзисторов................................	211
6.12. Размерные эффекты в МДП-транзисторах...........................................	214
6.13. Подпороговые характеристики МДП-транзистора .............................	217
6.13.1. Учет диффузионного тока в канале ..............................................	218
6.13.2. Неравновесное уравнение Пуассона ............................................	220
6.13.3. Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях ...	222
6.13.4. Вольт-амперная характеристика МДП-транзистора в области
сильной и слабой инверсии .............................................................	225
6.14. МДП-транзистор как элемент памяти..................................................	229
6.14.1. МНОП-транзистор........................................................................	231
6.14.2. МОП ПТ с плавающим затвором..................................................	232
6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода ...........................	235
6.16. СВЧ-полевые транзисторы с барьером Шоттки ..................................	238
6.16.1. GaAs-полевой транзистор с барьером Шоттки ............................	238
6.16.2. GaN-полевой транзистор с гетеропереходом...............................	241
6.16.3. Монолитные интегральные схемы с СВЧ-полевыми
транзисторами..................................................................................	242
Контрольные вопросы ...................................................................................	243
Задачи..............................................................................................................	244
Глава 7. Тиристоры .................................................................................................	245
7.1. Общие сведения .......................................................................................	245
7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора...........................	247
7.2.1. Феноменологическое описание ВАХ динистора ...........................	248
7.2.2. Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом
состоянии .........................................................................................	250
7.2.3.Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера.............	252
7.2.4.Зависимость коэффициента М от напряжения VG. Умножение
в коллекторном переходе.................................................................	253
7.3. Тринистор.................................................................................................	254
7.3.1. Феноменологическое описание ВАХ тринистора .........................	255
7.3.2. Симметричные тринисторы............................................................	256
7.4. Однопереходные транзисторы ................................................................	257
Контрольные вопросы ...................................................................................	259
Глава 8. Лавинно-пролетные диоды........................................................................	260
8.1. Общие сведения .......................................................................................	260
8.2. Устройство и зонная диаграмма..............................................................	260
8.3. Малосигнальные характеристики...........................................................	262
8.4. Использование ЛПД для генерации СВЧ-колебаний ...........................	264
8.5. Коммутационные pin-диоды...................................................................	266
Контрольные вопросы ...................................................................................	269

Gurtov.indd 6

17.11.2005 12:27:26

Содержание
Глава 9. Диоды Ганна .............................................................................................	270
9.1. Общие сведения .......................................................................................	270
9.2. Требования к зонной структуре полупроводников................................	270
9.3. Статическая ВАХ арсенида галлия..........................................................	273
9.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным
дифференциальным сопротивлением ....................................................	275
9.5. Генерация СВЧ-колебаний в диодах Ганна............................................	279
Контрольные вопросы ...................................................................................	280
Глава 10. Полупроводниковые лазеры....................................................................	281
10.1. Оптические переходы ............................................................................	281
10.2. Излучательная рекомбинация ...............................................................	282
10.3. Методы инжекции .................................................................................	283
10.3.1. Условие односторонней инжекции в p-n-переходе .....................	283
10.3.2. Условие односторонней инжекции в гетеропереходе..................	283
10.4. Светодиоды.............................................................................................	284
10.4.1. Светодиоды видимого диапазона..................................................	284
10.4.2. Светодиоды инфракрасного диапазона........................................	290
10.4.3. Голубые светодиоды на соединениях нитрида галлия.................	290
10.5. Полупроводниковые лазеры..................................................................	292
10.5.1. Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера ...	293
10.5.2. Лазеры на гетероструктурах ..........................................................	295
Контрольные вопросы ...................................................................................	298
Задачи..............................................................................................................	298
Глава 11. Фотоприемники.......................................................................................	299
11.1. Статистические параметры фотодетекторов ........................................	299
11.2. Материалы для фотоприемников..........................................................	301
11.3. Фоторезисторы.......................................................................................	302
11.4. Фотодиоды на основе p-n-перехода ......................................................	306
11.4.1. Общие сведения.............................................................................	306
11.4.2. Вольт-амперная характеристика фотодиода ................................	306
11.4.3. Спектральная чувствительность ...................................................	310
11.4.4. p-i-n-фотодиоды ............................................................................	311
11.4.5. Лавинные фотодиоды....................................................................	314
11.5. Фототранзисторы...................................................................................	315
11.6. МДП-фотоприемники с неравновесным обеднением.........................	317
11.6.1. Механизмы генерации неосновных носителей в области
пространственного заряда ...............................................................	317
11.6.2. Время релаксации неравновесного обеднения ............................	328
11.6.3. Дискретные МДП-фотоприемники .............................................	330
11.6.4. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)............	331
Контрольные вопросы ...................................................................................	334
Задачи..............................................................................................................	334
Глава 12. Квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе.......................	335
12.1. Двумерные электроны ...........................................................................	335
12.1.1. Уравнение Шредингера для электрона в ОПЗ .............................	335
12.1.2. Плотность состояний в двумерной подзоне.................................	337
12.1.3. Расчет концентрации n(z) с учетом квантования .........................	338
12.1.4. Спектр энергий и вид волновых функций в ОПЗ ........................	339
12.1.5. Диаграмма состояния электронного газа в инверсионном
канале................................................................................................	343
12.2. Квантовый эффект Холла......................................................................	344
12.2.1. Зависимость ЭДС Холла от параметров инверсионного канала...	344

Gurtov.indd 7

17.11.2005 12:27:26

Содержание
12.2.2. Циклотронная частота...................................................................	345
12.2.3. Спектр энергии двумерных электронов в поперечном
магнитном поле................................................................................	346
12.2.4. Число состояний для электронов на уровне Ландау....................	347
12.2.5. Плотность электронов в 2D-электронном газе в сильном
магнитном поле................................................................................	348
12.2.6. Эффект Холла для 2D-электронов в сильном магнитном поле ..	348
Контрольные вопросы ...................................................................................	349
Глава 13. Полупроводниковые приборы при экстремальных температурах ...........	350
13.1. Полупроводниковые материалы для высокотемпературной
электроники .............................................................................................	350
13.2. Твердотельные приборы на SiC.............................................................	353
13.3. Твердотельные приборы на GaN...........................................................	355
Контрольные вопросы ...................................................................................	356
Глава 14. Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники .............................	357
14.1. Микроминиатюризация МДП-приборов.............................................	358
14.2. Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию ......	360
14.3. Приборы наноэлектроники для квантовых компьютеров...................	362
Контрольные вопросы ...................................................................................	365
Приложение А. Нобелевские премии за работы по твердотельной электронике ....	366
Нобелевские премии по химии, связанные с тематикой твердотельной
микро- и оптоэлектроники .....................................................................	376
Приложение Б. Решения задач ...............................................................................	377
Приложение В. Основные обозначения ..................................................................	394
Обозначения приборных параметров............................................................	396
Приложение Г
1. Физические параметры важнейших полупроводников ............................	399
2. Работа выхода из металлов .........................................................................	400
3. Свойства диэлектриков ..............................................................................	400
4. Универсальные физические постоянные ..................................................	400
5. Полезные соотношения..............................................................................	400
Список рекомендованной литературы.....................................................................	401
Монографии и научные издания ...................................................................	401
Учебники и учебные пособия ........................................................................	402
Сборники задач ..............................................................................................	404
Энциклопедии и справочники.......................................................................	404
Предметный указатель............................................................................................	405
Об авторе ................................................................................................................	407

Gurtov.indd 8

17.11.2005 12:27:26

Предисловие ко второму изданию

Первое издание учебного пособия «Твердотельная электроника» было в значительной мере рассчитано на поддержку лекционного курса, который автор читает для студентов физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета. Связано это с тем, что из большого количества ранее изданных русскоязычных и англоязычных книг, учебных пособий и справочников по твердотельной электронике для нынешнего поколения студентов и аспирантов большинство из них недоступны. Такие фундаментальные издания, как Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем // И. П. Степаненко. 4-е изд. М.: Энергия, 1977. 671 С.; Зи С. Физика полупроводниковых приборов // С. Зи. М.: Мир, 1984. T. 1. 456 С; T. 2. 456 С; стали библиографической редкостью, а монография Sah C.-T. Fundamentals of solid-state electronics // C.-T. Sah. World Scientific, 1991. 1011 p, к сожалению, вообще не была переведена на русский язык и фактически недоступна для массового читателя.

Двухлетний опыт работы с первым изданием учебного пособия «Твердотельная электроника» показал, с одной стороны, его востребованность, а с другой стороны, необходимость доработки, внесения правок и изменений, а также расширения за счет включения материалов по современным разработкам в области твердотельной электроники. По этой причине во второе издание добавлены шесть глав — восьмая, десятая, одиннадцатая, двенадцатая, тринадцатая и четырнадцатая. В восьмой главе рассматриваются характеристики лавинно-пролетных и коммутационных СВЧ-диодов. Девятая и одиннадцатая главы посвящены оптоэлектронным приборам. В двенадцатой главе рассматривается квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Тринадцатая глава посвящена полупроводниковым приборам при экстремальных температурах. Четырнадцатая глава показывает пути микроминиатюризации приборов твердотельной электроники и возможности реализации приборов наноэлектроники для квантовых компьютеров. Также во втором издании в конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задачи, а в конце учебного пособия — решения этих задач. Сформирован и приведен предметный указатель. Исключена глава, посвященная классификации и обозначению полупроводниковых приборов.

Список литературы структурирован по четырем направлениям и включает 84 ссылки. В их числе монографии и научные издания — 31 наименование [1—31], учебники и учебные пособия — 37 наименований [32—69], сборники задач — 5 наименований [70—74], энциклопедии и справочники — 10 наименований [75—84]. В список литературы не включались ссылки на оригинальные статьи из научных журналов в связи с громадным числом таких публикаций.

В заключение автор выражает благодарность сотруднику кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета О. Н. Артамонову за неоценимую помощь в подготовке второго издания учебного пособия.

В. А. Гуртов, 15 июля 2005 года, Петрозаводск

Gurtov.indd 9

17.11.2005 12:27:27

Предисловие к первому изданию

Учебное пособие «Твердотельная электроника» базируется на лекционном курсе, который автор в течение длительного времени читает для студентов физико-техни- ческого факультета Петрозаводского государственного университета.

Учебное пособие по структуре и содержанию соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования для специальности 071400 «Физическая электроника» в разделе федерального компонента общепрофессиональных дисциплин ОПД.Ф.08 «Твердотельная электроника». По другим направлениям и специальностям подготовки, ведущимся в Петрозаводском государственном университете, этот курс находится в рамках естественнонаучного компонента государственного образовательного стандарта, устанавливаемого вузом.

Для Петрозаводского государственного университета это следующие направления подготовки бакалавров и магистров, а также специальности высшего профессионального образования.

Направление подготовки магистров 510400 «ФИЗИКА» по программам: 510403 — Физика конденсированного состояния вещества; 510404 — Физика полупроводников. Микроэлектроника.

Направление 553100 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА» по программам:

553105 — Физическое моделирование структуры, свойств и техники получения материалов;

553117 — Электрофизические технологии.

Направление 552800 «ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА» по программам:

552826 — Автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний;

552824 — Информационно-измерительные системы. Специальность 010400 «Физика»; Специальность 071400 «Физическая электроника»;

Специальность 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;

Специальность 190900 «Информационно-измерительная техника и технологии».

Впредлагаемом учебном пособии рассмотрены физические основы работы твердотельных полупроводниковых приборов, использующих как явление инжекции носителей через p-n-переходы, так и явления, связанные с эффектом поля.

Всвязи с тем что учебный курс читается для студентов третьего курса, в первой главе учебного пособия в кратком виде представлены основные сведения из физики твердого тела и из физики полупроводников. Эти сведения в дальнейшем необходимы при усвоении основного материала курса. В главах второй и третьей излагаются физические основы, связанные с контактными явлениями в барьерах Шоттки, элек- тронно-дырочных переходах и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП-структур.

Четвертая и пятая главы посвящены анализу физических основ работы полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов. Глава шестая посвящена анализу работы полевых транзисторов. Глава седьмая посвящена приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением — тиристорам. Глава восьмая посвящена

Gurtov.indd 10

17.11.2005 12:27:27

Предисловие к первому изданию

приборам функциональной электроники — диодам Ганна. В одиннадцатой главе приводятся классификация и обозначения полупроводниковых приборов как российских, так и зарубежных.

Особенность данной книги заключается в том, что при обсуждении физических принципов работы и параметров приборов автор наряду с идеализированными характеристиками старался использовать справочные данные, которые показывают реально характеристики того или иного вида приборов.

Врамках подготовки к изданию учебного пособия «Твердотельная электроника» аспирантом О. Н. Артамоновым была разработана электронная версия указанного учебного пособия, которая представлена на сайте кафедры физики твердого тела, а также прилагается в виде компакт-диска к бумажной версии учебного пособия. При подготовке электронной версии учебного пособия использовались мультимедийные разработки, выполненные студентами физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета в рамках курсовых и дипломных работ. Указанные мультимедийные приложения улучшают качество представляемого материала и позволяют более ясно понять основные физические процессы, которые происходят

вприборах твердотельной электроники.

Взаключение автор выражает благодарность сотрудникам кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета, с которыми он длительное время работает, а также О. Н. Артамонову и Ю. М. Листопадову за неоценимую помощь в подготовке указанного учебного пособия.

В.А. Гуртов, 28 февраля 2003 года, Петрозаводск

Gurtov.indd 11

17.11.2005 12:27:27

ГЛАВА 1

НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ

ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И

ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1. Зонная структура полупроводников

Согласно постулатам Бора, энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку. Если твердое тело состоит из N атомов, то энергетические уровни оказываются N-кратно вырожденными. Электрическое поле ядер, или остовов атомов, выступает как возмущение, снимающее это вырождение. Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Решение квантовых уравнений в приближении сильной или слабой связи дает качественно одну и ту же картину для структуры энергетических зон твердых тел. В обоих случаях разрешенные и запрещенные состояния для электронов чередуются и число состояний для электронов в разрешенных зонах равно числу атомов, что позволяет говорить о квазинепрерывном распределении энергетических уровней внутри разрешенных зон [35, 82, 83].

Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами (обычно называемой запрещенной зоной) больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. И наконец, если ширина запрещенной зоны Eg лежит в диапазоне (0,1÷3,0) эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников. В зависимости от сорта атомов, составляющих твердое тело, и конфигурации орбит валентных электронов реализуется тот или иной тип кристаллической решетки, а следовательно, и структура энергетических зон. На рис. 1.1 приведена структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния с решеткой так называемого алмазоподобного типа.

Верхняя, не полностью заполненная энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком EC, положение вершины валентной зоны — EV, а ширину запрещенной зоны — Eg.

Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие

Gurtov.indd 12

17.11.2005 12:27:27

1 / 411 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]

#
07.02.20167.23 Mб26Glava 5.doc
#
07.02.20163.68 Mб66Glava 8.doc
#
07.02.20162.35 Mб374gorovoy.pdf
#
11.11.20196.12 Mб1968gorovoy_конвертир.doc
#
12.09.2019484.58 Кб8gos dvs(2).docx
#
07.02.20163.72 Mб48gurtov.pdf
#
07.02.2016220.07 Кб41GZ_Praktika_GES.pdf
#
07.02.2016213.18 Кб21GZ_Praktika_Vibukh.pdf
#
18.11.2019343.55 Кб6him_rp9.doc
#
07.02.201624.06 Кб11history_of_football.doc
#
07.02.2016431.5 Кб4HPP З Кр .pdf